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EP4198610B1 - Head-up display image generation unit with folding mirror - Google Patents

Head-up display image generation unit with folding mirror

Info

Publication number
EP4198610B1
EP4198610B1 EP22211118.9A EP22211118A EP4198610B1 EP 4198610 B1 EP4198610 B1 EP 4198610B1 EP 22211118 A EP22211118 A EP 22211118A EP 4198610 B1 EP4198610 B1 EP 4198610B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
mirror
folding mirror
polarizer
display element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP22211118.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP4198610A1 (en
Inventor
Wolff VON SPIEGEL
Daniel Krüger
Christian Junge
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102021214549.3A external-priority patent/DE102021214549B3/en
Application filed by Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
Priority to EP25172155.1A priority Critical patent/EP4582849A3/en
Publication of EP4198610A1 publication Critical patent/EP4198610A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP4198610B1 publication Critical patent/EP4198610B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B60K35/20Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor
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Definitions

  • the present invention relates to a head-up display having an image generation unit with a folding mirror.
  • a head-up display also known as a HUD, is a display system that allows the viewer to maintain their line of sight by projecting the content into their field of vision. While such systems were originally used primarily in aviation due to their complexity and cost, they are now also being installed in large-scale production in the automotive sector.
  • Head-up displays generally consist of an imaging unit or PGU (Picture Generating Unit), an optical unit, and a mirror unit.
  • the imaging unit generates the image using at least one display element.
  • Most modern head-up displays use LCD-based displays (LCD: Liquid Crystal Display) to generate the image.
  • LCD Liquid Crystal Display
  • the optical unit directs the image onto the mirror unit.
  • the mirror unit is a partially reflective, translucent pane. The viewer therefore sees the content displayed by the imaging unit as a virtual image and, at the same time, the real world behind the pane. In the automotive sector, the windshield is often used as the mirror unit, and its curved shape must be taken into account in the display.
  • the interaction of the optical unit and the mirror unit results in the virtual image being an enlarged representation of the image generated by the imaging unit.
  • a head-up display for a means of transport comprising an imaging unit for generating an image, an optical unit for projecting the image by a mirror unit onto a virtual image plane, and a folding mirror, the angle of incidence and angle of reflection of which are unequal.
  • This property is achieved, for example, using holographic components, diffraction gratings, or Fresnel mirrors.
  • the US 5,313,326 A , the WO 2014/041689 A , the US 2015/0362221 A1 and the US 2018/252917 A1 show head-up displays that use a folding mirror whose angle of incidence and angle of reflection are unequal.
  • the folding mirror whose angle of incidence and angle of reflection are unequal, is positioned in the image path. This property can have an adverse effect on image quality and/or sensitivity to stray light.
  • a backlight for a liquid crystal display is known in which one edge of a light guide is provided with a multitude of reflective surfaces that expand a tightly focused laser beam into a wide beam of light.
  • a laser light source in head-up displays is mainly known for micro-mirror units (so-called DMDs, or Digital Micro Mirror Devices), which require a light beam with a very small cross-section and a narrow aperture angle.
  • a head-up display in which an optical element comprises a mirror with microstructures that project light onto a display element.
  • a disadvantage is that the illumination of the display element is uneven, with dark stripes.
  • a head-up display in which a liquid crystal display element is designed to use as much of the unpolarized light generated by a light source as possible by means of a polarization converter.
  • a head-up display for a means of transport comprising: an imaging unit for generating an image; an optical unit for projecting the image by means of a mirror unit; wherein the imaging unit has a folding mirror, the folding mirror is arranged between a light source and a display element illuminated by the light source at an angle of incidence to the propagation direction of the light incident on it from the light source, the folding mirror has microstructures, wherein the microstructures have first mirror surfaces which are arranged at a first angle different from the angle of incidence of the folding mirror and are spaced from one another to form gaps, and wherein second surfaces are arranged at a second angle in the gaps.
  • a head-up display that is improved compared to the existing head-up displays is desired.
  • a head-up display according to the invention is specified in claim 1.
  • the head-up display has an imaging unit for generating an image and an optical unit for projecting the image through a mirror unit.
  • the imaging unit has a folding mirror.
  • the folding mirror is arranged between a light source and a display element illuminated by the light source at an angle of incidence to the propagation direction of the light incident on it from the light source.
  • the angle of incidence is preferably less than 45°, which allows for a flatter installation space.
  • the folding mirror has microstructures.
  • the microstructures have first mirror surfaces arranged at a first angle different from the angle of incidence of the folding mirror and spaced from one another to form gaps. Second surfaces are arranged in the gaps at a second angle.
  • a polarizer directs light of a first polarization to the display element and light of a second polarization into the gaps.
  • a retarder converts the polarization of the light directed into the gaps into the first polarization.
  • the light guided into the gaps is then guided towards the display element after passing through the gaps.
  • This has the advantage of achieving polarization recycling and allowing light from the gaps to reach the display element.
  • Polarization directions are used when the display element is a linearly polarized light modulating display element. This is the case, for example, with liquid crystal displays (LCDs).
  • the normally unused polarization is converted into the polarization required by the display element by means of a polarizer and retarder, exploiting the gaps in the folding mirror and is then passed on to the element.
  • the light directed into and passing through the gaps has the same polarization as the light polarized by the mirror surfaces.
  • the display element is thus illuminated without gaps with light of a single polarization.
  • this also eliminates the need for additional homogenization measures.
  • Such an ideal case exists, for example, for certain duty cycles.
  • the stripe structure is blurred with scatterers, for example. This type of scattering then also serves to illuminate the eyebox.
  • the first mirror surfaces have different first angles among one another. Groups of first mirror surfaces with the same first angles can also have different first angles from group to group. In particular, however, each first playing surface has a different first angle than the other first mirror surfaces.
  • the polarizer is designed as a reflective polarizer and arranged between the folding mirror and the display element.
  • the retarder is a retarder that converts linear polarization into circular polarization and is passed through by the light twice.
  • Such a retarder is also called a ⁇ /4 plate or quarter-wave plate.
  • the effect of a lambda/2 retarder is split, and the delay is distributed over two passes.
  • the retarder in this variant is located between the folding mirror and the polarizer. This has the advantage of allowing the components to be designed flat, allowing the use of cost-effective, mass-produced components.
  • the input-side polarizer of a display element that requires polarized input light is advantageously used as the polarizer. This saves components and, due to the fewer interfaces the light must pass through, also results in lower light output losses and less interference.
  • the polarizer and retarder are also advantageously designed as a single piece as a reflective circular polarizer.
  • the reflective polarizer is inclined at an angle other than 90° to the propagation direction of the light incident on it from the folding mirror, and the reflective second surfaces are arranged parallel to the reflective polarizer.
  • This has the advantage that light reflected by the reflective polarizer, which is not or hardly divergent, is not reflected back onto the first mirror surfaces, but rather, with a suitable choice of angle and spacing, onto one of the second reflective surfaces in the gaps. From these, it is reflected parallel to the light reflected by the first mirror surfaces towards the polarizer, from which it is transmitted after the polarization direction has been adjusted by means of the retarder.
  • a very large proportion of the light of both polarizations is utilized, and almost no dark areas are caused by the gaps.
  • the display element is illuminated very homogeneously.
  • the folding mirror is part of a transparent body with a wedge-shaped cross-section, in which the wedge base is the light entry surface facing the light source, the microstructures are arranged on one of the large side surfaces of the wedge, and the other large side surface of the wedge is the light exit surface facing the display element.
  • the transparent body is a large-volume component. This is less susceptible to damage than very thin components, simplifying handling during production.
  • the transparent body for example, is cast in a large mold and then provided with polarizer and retarder functionality on the light-emitting surface, for example, with an appropriate coating.
  • reflective second surfaces are provided, each paired to form a retroreflector.
  • Such an arrangement is robust against angular tilt. Even if the folding mirror is not precisely aligned with the incident light, it reflects in such a way that the outgoing light is parallel to the incoming light.
  • the first mirror surfaces have different angles to one another. This can be done in groups, as stated above.
  • each of the first mirror surfaces has a different first angle
  • the reflective polarizer has first polarizer surfaces and second polarizer surfaces, each of which forms a retroreflector in pairs.
  • the light fanned out by the first mirror surfaces is reflected by 180° when reflected by the reflective polarizer, regardless of the angle at which it strikes the reflective polarizer.
  • Reflection by the second surfaces also occurs by 180° if these are also designed as retroreflectors.
  • the angular fanning caused by the first mirror surfaces is thus retained even after this double reflection; the light with rotated polarization then passes through the reflective polarizer at the same angle as the light that was already polarized enough to pass through the reflective polarizer when it first struck it.
  • a fanned-out radiation or astigmatism is realized, which is desirable in certain conditions of a head-up display.
  • the folding mirror and the display element are aligned parallel to each other. Light rays coming from the folding mirror strike the display element therefore, travel a distance of equal length. Uniform illumination of the display element is thus achieved, since deviations caused by differences in distance do not occur in this configuration.
  • This advantage also occurs when, in a head-up display, a folding mirror with the property that the angle of incidence and the angle of reflection are macroscopically unequal is aligned parallel to a display element of this head-up display.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a head-up display for a motor vehicle according to the prior art.
  • the head-up display has an imaging unit 1, an optical unit 2, and a mirror unit 3.
  • a beam SB1 emanates from a display element 11, which is reflected by a first mirror 21 onto a curved mirror 22, which reflects it toward the mirror unit 3.
  • the mirror unit 3 is depicted here as the windshield 31 of a motor vehicle. From there, the beam SB2 travels toward an eye 61 of a viewer.
  • the observer sees a virtual image VB, which is located outside the motor vehicle above the hood or even in front of the motor vehicle. Due to the interaction of the optical unit 2 and the mirror unit 3, the virtual image VB is an enlarged representation of the image displayed by the display element 11. Here, a speed limit, the Current vehicle speed and navigation instructions are displayed. As long as the eye 61 is within the eyebox 62 indicated by a rectangle, all elements of the virtual image are visible to the eye 61. If the eye 61 is outside the eyebox 62, the virtual image VB is only partially visible or not visible at all to the viewer. The larger the eyebox 62, the less restricted the viewer is in choosing their seating position.
  • the curvature of the curved mirror 22 is adapted to the curvature of the windshield 31 and ensures that the image distortion is stable across the entire eyebox 62.
  • the curved mirror 22 is rotatably mounted by means of a bearing 221. The resulting rotation of the curved mirror 22 enables the eyebox 62 to be moved and thus the position of the eyebox 62 to be adjusted to the position of the eye 61.
  • the first mirror 21 serves to ensure that the path traveled by the beam SB1 between the display element 11 and the curved mirror 22 is long, while at the same time the optical unit 2 remains compact.
  • the optical unit 2 is separated from the environment by a transparent cover 23. The optical elements of the optical unit 2 are thus protected, for example, against dust present in the interior of the vehicle.
  • An anti-glare screen 24 serves to reliably absorb the light reflected across the boundary surface of the cover 23, preventing glare to the viewer.
  • light from another interfering light source 64 can also reach the display element 11.
  • Fig. 2 shows a schematic of the imaging unit 1 of a head-up display.
  • the light source 12 can be seen, the light of which is collimated by a collimator 13.
  • the display element 11 is not perpendicular to the propagation direction ABR2. arranged, but at an angle deviating from 90°, which is shown here as deviating particularly strongly from 90°.
  • Fig. 3 shows a schematic of the imaging unit of a head-up display according to the invention.
  • the folding mirror 15 according to the invention can be seen, which is arranged at an angle of ⁇ 45°. Due to its property that the angle of incidence and the angle of reflection are unequal, the basic propagation direction ABR1 of the light arriving at it from the light source 12 and the light reflected by it in the propagation direction ABR2 toward the display element 11 remains unchanged compared to the previous figure. However, the dimensions of the light source 12 and the collimator 13, as well as the height h' of the collimated light beam, are smaller than in the previous figure. This saves installation space. The height h' in this figure is smaller than the height h in the previous figure.
  • the arrangement requires less space, but also that the lighting unit, here the light source 12, only has to generate a flatter light beam, which also makes the light source 12 more compact.
  • Another important space advantage is the greater freedom of positioning the light source while maintaining the desired angle in the display area.
  • the smaller light source also saves space in the implementation, for example, as LEDs.
  • the distance between display element 11 and folding mirror 15 is shown larger than it actually is for the sake of clarity.
  • the space savings achieved by the invention are primarily evident in the illustration by the height h', which is smaller than the height h in the previous illustration.
  • the illuminated area of display element 11 also appears smaller than in the previous illustration, which is also not the case but is due to the schematic representation.
  • Fig. 4 shows a schematic view of a folding mirror 15 of a head-up display.
  • the folding mirror 15 has a first boundary surface 151, at which incident light is reflected, and a second boundary surface 152. It can be seen that the folding mirror 15 has at its first interface 151, the reflective surface, many microstructures 16, each of which satisfies the well-known rule that the angle of incidence equals the angle of reflection. Macroscopically, averaged across the microstructures 16, the first interface 151 and the second interface 152 are parallel to one another.
  • the microstructures 16 have first mirror surfaces 161, which in the illustrated embodiment have an angle of 45° to the propagation direction ABR1 and to the propagation direction ABR2. In the propagation direction ABR1, there are gaps 163 between each two mirror surfaces 161.
  • the mirror surfaces 161 are connected to one another in the gaps 163 by inclined second surfaces 162.
  • the angle of incidence ⁇ 1 of the folding mirror 15 is greater than its angle of reflection ⁇ 2, which are indicated relative to the perpendicular on the interfaces 151, 152.
  • An incident beam ESB can be seen in the propagation direction ABR1, which, after reflection at the folding mirror 15, leaves the folding mirror 15 as the reflected beam ASB in the propagation direction ASR2.
  • Pre-collimated light sources which may consist of several individual light sources arranged side by side, so-called arrays, either shine directly onto diffusers behind the display element, also referred to below as the display, or are deflected beforehand by folding mirrors.
  • the macroscopic angle of incidence angle of reflection.
  • LEDs Light-emitting diodes
  • the polarization direction of the LED light which does not match the display polarizer, is deflected by the display and lost. This requires additional components or occurs within the display and heats it up. Tilting the folding mirror by one angle changes the angle of the illuminating light by twice the angle.
  • the properties and freedom thus gained open up a whole range of design possibilities with advantages beyond space savings.
  • This provides particularly space-saving options for folding the beam path of the imaging unit 1 into the installation space.
  • the light distribution is spread by dividing it into strips that are then pulled apart. This allows the original illumination unit to be reduced in size. This helps avoid array boundaries in the image area and improves homogeneity.
  • Design variants according to the invention allow for tolerance-insensitive designs and increased efficiency through polarization recycling.
  • Fig. 5 shows schematically a part of a first embodiment not claimed here.
  • the microstructures 16 have first mirror surfaces 161, which are at an angle of 45° to the propagation direction ABR1 of the incident light. Between the first mirror surfaces 161 there are gaps 163, in which second surfaces 162 are arranged, which are also designed as reflective surfaces. The second surfaces 162 are aligned parallel to the propagation direction ABR1 of the incident light.
  • a retarder 18 and a polarizer 17 are arranged above the folding mirror 15.
  • the retarder 18 has the property of a quarter-wave plate, i.e., it converts linearly polarized input light into circularly polarized output light, and vice versa.
  • the polarizer 17 is a reflective polarizer that allows linearly polarized light of a first polarization direction to pass through and reflects light polarized perpendicular to it.
  • unpolarized light L1 generated by light source 12 and collimated by collimator 13, falls onto folding mirror 15 in propagation direction ABR1.
  • This unpolarized light L1 is reflected by mirror surfaces 161. It reaches retarder 18 in propagation direction ABR2 as unpolarized light L2, passes through it, and leaves it as unpolarized light L3. It strikes reflective polarizer 17, which transmits s-polarized light L4s and reflects p-polarized light L4p. For the sake of clarity, this is shown schematically offset to the right in the figure. P-polarized light L4p passes through retarder 18 and leaves it as circularly polarized light L5z.
  • This light strikes the reflective second surface 162 and is reflected by it as circularly polarized light L6z back to the retarder 18. It passes through the retarder and exits it as s-polarized light L7s. This light passes through the reflective polarizer 17 because it now has the polarization direction that it transmits rather than reflects. Thus, further s-polarized light L8s reaches the display element 11.
  • the latter indicates that the light normally does not consist of ideally parallel rays, but of at least slightly divergent rays. These are largely reflected obliquely by the polarizer 17, so that they reach one of the reflective second surfaces 162, where they are reflected again.
  • the first mirror surfaces 161 can be provided with a curvature, which makes the light L2 reflected by them more divergent than the light L1 incident on them. Further possibilities include undulating or tilting the polarizer.
  • the inclination of the mirror surfaces 162 is adjusted to minimize the angular deviation.
  • a portion of the light L4s transmitted by the polarizer 17 already fills some of the dark areas in the light traveling toward the display element 11 caused by the gaps 163.
  • light L8s also reaches these dark areas. More of the originally incident light L1 reaches the display element 11 and has a more uniform brightness profile.
  • the display element 11 is located at a distance above the polarizer 17 and is not shown here.
  • the marked area F8 can be advantageously configured according to a variant described further below.
  • Fig. 6 schematically shows part of a second embodiment not claimed here.
  • the folding mirror 15 is part of a transparent body 19.
  • the transparent body 19 has a wedge-shaped cross-section, which is shown here in cross-section.
  • the tip of the wedge which is located on the right in the figure, is capped and therefore not shown.
  • the wedge base surface 191 is the light entry surface facing the light source.
  • the microstructures 16 are arranged on one of the large side surfaces 192 of the wedge.
  • the other large side surface 193 of the wedge forms the light exit surface facing the display element 11.
  • the microstructures 16, the polarizer 17, and the retarder 18 are arranged as shown in the previous figure.
  • the first mirror surfaces 161, as previously described are arranged at an angle of 45° to the propagation directions ABR1, ABR2.
  • the reflective second surfaces 162 are not arranged parallel to the propagation direction ABR1, but are tilted at an acute angle to it. They are inclined such that they do not obstruct the light L1 incident from the left on its path to one of the first mirror surfaces 161, but are inclined away from one first mirror surface 161 to the next, viewed in its propagation direction.
  • the other large side surface 193 of the wedge-shaped transparent body 19 has the same inclination as the reflective second surfaces 162.
  • the polarizer designed here as a reflective circular polarizer 172, which also combines the function of the retarder 18, is arranged on the side surface 193 and thus has the same inclination.
  • the first large side surface 192 is provided with a mirror coating.
  • unpolarized light L1 generated by light source 12 and collimated by collimator 13, falls onto folding mirror 15 in propagation direction ABR1.
  • This unpolarized light L1 is reflected by mirror surfaces 161. It reaches reflective circular polarizer 172 in propagation direction ABR2 as unpolarized light L2.
  • This polarizer transmits s-polarized light L4s and reflects circularly polarized light L5z. Due to the slight tilt of the perpendicular on side surface 193 to propagation direction ABR2, this circularly polarized light L5z propagates at an angle deviating from 0° to propagation direction ABR2.
  • This light strikes the reflective second surfaces 162 and is reflected back to retarder 18 as circularly polarized light L6z. Due to the inclined arrangement of the reflective second surfaces 162, it now propagates again parallel to the propagation direction ABR2. It strikes the reflective circular polarizer 172 and is transmitted by it. Thus, further s-polarized light L8s reaches the display element 11.
  • the figure is thus also an example of the variant of the invention in which the reflective polarizer 172 is inclined at an angle different from 90° to the propagation direction ABR2 of the light L2 coming from the folding mirror 15 and incident on it, and the reflective second surfaces 162 are arranged parallel to the reflective polarizer 172.
  • Fig. 7 shows schematically a part of a third embodiment not claimed here.
  • the folding mirror 15 has a first interface 151 and a second interface 152, both of which are arranged parallel to one another and have microstructures 16, 16' arranged offset from one another.
  • the offset is selected in the illustrated embodiment such that in the propagation direction ABR1 of the light L1 coming from the light source 12, first mirror surfaces 161 of the first interface 151 and first mirror surfaces 161' of the second interface 152 follow one another.
  • first mirror surfaces 161 of the first interface 151 and second surfaces 162' of the second interface 152 follow one another, as do second surfaces 162 of the first interface 151 and first mirror surfaces 161' of the second interface 152.
  • the mirror surfaces 161 of the first interface 151 are designed as a reflective polarizer 17.
  • the second surfaces 162 of the first interface 151 are designed as a retarder 18 that rotates the polarization direction by 90°.
  • the first mirror surfaces 161' of the second interface 152 are designed as mirrors that do not influence the polarization.
  • the first mirror surfaces 161, 161' are arranged at an angle of 45° to both the propagation direction ABR1 of the light L1 coming from the light source 12 and the propagation direction ABR2 of the light traveling to the display element 11.
  • the second surfaces 162, 162' are arranged parallel to the propagation direction ABR1 of the light L1 coming from the light source 12.
  • unpolarized light L1 generated by light source 12 and collimated by collimator 13, falls onto folding mirror 15 in the propagation direction ABR1.
  • This unpolarized light L1 is reflected by mirror surfaces 161 as s-polarized light L2s and transmitted as p-polarized light L2p.
  • the s-polarized light L2s travels in the propagation direction ABR2 toward the display element 11.
  • the p-polarized light L2p is reflected by the first mirror surfaces 161' of the second interface 152 and travels as p-polarized light L3p from the inside to the second surfaces 162 of the first interface 151.
  • Fig.9 shows an imaging unit 1 similar to Fig.3 described.
  • the display element 11 is arranged at the same angle ⁇ as the folding mirror 15.
  • the folding mirror 15 and the display element 11 are thus aligned parallel to one another.
  • Light rays coming from the folding mirror 15 that strike the display element 11 therefore have a path of equal length.
  • Uniform illumination of the display element 11 is thus achieved, since deviations caused by differences in path distance do not occur in this constellation.
  • This is particularly advantageous when using a flat display element 11 that consists, for example, of a single flat light element, or of an LED array in which several LEDs are distributed over a surface.
  • This advantage also arises when, in a head-up display, a folding mirror with the property that the angle of incidence and angle of reflection are macroscopically unequal is aligned parallel to a display element of this head-up display.
  • Fig.10 shows schematically a part of an embodiment not claimed here with a curved folding mirror 15.
  • the folding mirror 15 is not curved from a macroscopic perspective, but the microstructures 16 are arranged such that the folding mirror 15 acts like a cylindrical mirror.
  • the folding mirror 15 has two mutually parallel interfaces 151, 152.
  • the upper interface 151 is the interface that the incident light L1 reaches first.
  • the lower interface 152 is the one impinged upon by light L2p transmitted through the upper interface 151.
  • the lower interface 152 has mirror surfaces 161'-1, 161'-2, and 161'-3.
  • the first mirror surface 161-1 of the first mirror surfaces 161-i shown has a first angle ⁇ 1 to the propagation direction ABR1
  • the first playing surface 161-2 has a first angle ⁇ 2 to the propagation direction ABR1
  • the first playing surface 161-3 has a first angle ⁇ 3 to the propagation direction ABR1.
  • the first angles ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 differ slightly from one another.
  • each of the first mirror surfaces 161-i has a different first angle ⁇ i.
  • the first mirror surface 161'-1 of the lower boundary surface 152 has a second angle ⁇ 1 to the propagation direction ABR1.
  • the first mirror surface 161'-2 has a second angle ⁇ 2 to the propagation direction ABR1.
  • the first mirror surface 161'-3 has a second angle ⁇ 3 to the propagation direction ABR1.
  • each of the first mirror surfaces 161'-i of the lower boundary surface 152 has a different second angle ⁇ i than the other first mirror surfaces 161'-i.
  • the first angles ⁇ i and the second angles ⁇ i decrease from left to right in the illustrated embodiment. The following applies: ⁇ 1 ⁇ 1 ⁇ 2 ⁇ 2 ⁇ 3 ⁇ 3.
  • the value of every second angle ⁇ i lies between the values of the first angles ⁇ i of two adjacent first mirror surfaces 161-i.
  • the light rays Lxs exiting the folding mirror 15 upwards are thus spread out evenly.
  • the second surfaces 162-i, 162-i' are arranged parallel to the propagation direction ABR1 of the light L1 coming from the light source 12.
  • the mirror surfaces 161-i of the upper boundary surface 151 are designed as a reflective polarizer 17.
  • the second surfaces 162-i of the first boundary surface 151 are designed as a retarder 18 that rotates the polarization direction by 90°.
  • the first mirror surfaces 161'-i of the lower boundary layer 152 are designed as mirrors that do not influence the polarization.
  • unpolarized light L1 generated by light source 12 and collimated by collimator 13, falls onto folding mirror 15 in the propagation direction ABR1.
  • This unpolarized light L1, L5 is reflected by mirror surfaces 161-i as s-polarized light L2s, L6s and transmitted as p-polarized light L2p, L6p.
  • the s-polarized light L2s, L6s travels upwards towards the display element 11.
  • the p-polarized light L2p, L6p is reflected by the first mirror surfaces 161'-1, 161'-2 of the second interface 152 and travels as p-polarized light L3p, L7p from the inside to the second surfaces 162-i of the first interface 151. Since these are designed as retarders 18 that rotate the polarization by 90°, they transmit the light incident on them, which leaves them as s-polarized light L4s, L8s upwards in the region of the gaps 163 in the figure. Thus, further s-polarized light L4s, L8s travels towards the display element 11. It can be seen that the light Lxs traveling towards the display element 11 consists of fanned-out light rays.
  • Fig.11 schematically shows part of an embodiment according to the invention with a curved folding mirror 15.
  • the folding mirror 15 is not macroscopically curved, but the microstructures 16 are arranged such that the folding mirror 15 acts like a cylindrical mirror.
  • the upper boundary surface 151 of the folding mirror 15 has microstructures 16, and its lower boundary surface 152 has no special optical or geometric properties essential in connection with the invention.
  • the microstructures 16 have first mirror surfaces 161-i, of which the mirror surfaces 161-1 to 161-5 are shown. Each of the first mirror surfaces 161-i has a first angle ⁇ i to the propagation direction ABR1 of the incident light, which differs from the other first angles ⁇ i.
  • first mirror surfaces 161-i are gaps 163, in which second surfaces 162 are arranged, which are also designed as reflective surfaces. Instead of a single surface, two reflecting second surfaces 1621, 1622 are provided as second surfaces 162, which are arranged at right angles to each other. They therefore act as a retroreflector.
  • a retarder 18 and a polarizer 17 are arranged above the folding mirror 15. In the present case, the retarder 18 has
  • the polarizer 17 has the properties of a quarter-wave plate, meaning it converts linearly polarized input light into circularly polarized output light, and vice versa.
  • Polarizer 17 is a reflective polarizer that allows linearly polarized light of a first polarization direction to pass through and reflects light polarized perpendicular to it.
  • the polarizer has a plurality of paired polarizer surfaces 1701, 1702, which are arranged at right angles to each other. They therefore act as a retroreflector.
  • unpolarized light L1 generated by light source 12 and collimated by collimator 13, falls onto folding mirror 15 in propagation direction ABR1.
  • This unpolarized light L1 is reflected by mirror surfaces 161-3. It travels upwards as unpolarized light L2 to retarder 18, passes through it, and exits it as unpolarized light L3. It strikes reflective polarizer 17, designed as a retroreflector, which transmits s-polarized light L4s and reflects p-polarized light L4p. The p-polarized light L4p passes through retarder 18 and exits it as circularly polarized light L5z.
  • This light strikes one of the reflective second surfaces 162, also designed as a retroreflector, and is reflected back to the retarder 18 as circularly polarized light L6z. It passes through the retarder and exits as s-polarized light L7s. This light passes through the reflective polarizer 17 because it now has the polarization direction that it transmits rather than reflects. Thus, further s-polarized light L8s reaches the display element 11.
  • a transparent body 19 as shown in Fig.6 described which is provided with corresponding microstructures.
  • the function of the reflective polarizer 17 and the retarder 18 is realized there in a circular polarizer 172, which is designed as a retroreflector by means of first and second polarizer surfaces 1701 and 1702.
  • the invention relates to a head-up display with an efficient, cost- and space-saving imaging unit 1, which has a folding mirror 15 in which the angle of incidence and the angle of reflection are macroscopically unequal.
  • a unit is also referred to as a "blazed-mirror PGU" (PGU: Picture Generating Unit).
  • the invention relates to the field of head-up displays (HUDs) and other display systems that use directed light of a specific polarization, for example, based on liquid crystal display elements.
  • HUDs head-up displays
  • Most current LED-based TFT HUDs TFT: Thin Film Transistor, a variant of liquid crystal displays
  • TFT Thin Film Transistor
  • This light output loss is typically implemented in an external polarization filter to reduce the heating of the display element 11.
  • the invention When using a folding mirror with unequal angles of incidence and reflection (blazed mirror), stripes are created from the perspective of the display element 11, from which no light emanates. These areas, the gaps 163, are used according to the invention to reuse light from the unwanted polarization components by changing their polarization state and redirecting it to the display element 11, thus making it usable for its backlighting.
  • the HUD is therefore cheaper, has lower energy, space, and/or cooling requirements, and offers more homogeneous illumination.
  • the invention is also more generally applicable to other Efficiency-sensitive backlit display elements with a narrower viewing angle.
  • the invention is also applicable to projection systems, for example, based on DMD technology (DMD: Digital Micromirror Device - the device's light deflection is based on one or more digitally controlled micromirrors) or LCoS technology (LCoS: Liquid Crystal on Silicon - light modulation is based on liquid crystals mounted on a silicon substrate).
  • DMD Digital Micromirror Device
  • LCoS Liquid Crystal on Silicon - light modulation is based on liquid crystals mounted on a silicon substrate.
  • a display unit with an imaging unit 1 for generating an image wherein the imaging unit has a folding mirror, the folding mirror is arranged between a light source and a display element illuminated by the light source at an angle of incidence to the propagation direction of the light incident on it from the light source, the folding mirror has microstructures, wherein the microstructures have first mirror surfaces which are arranged at a first angle different from the angle of incidence of the folding mirror and are spaced from one another to form gaps, wherein second surfaces are arranged at a second angle in the gaps, a polarizer guides light of a first polarization to the display element and guides light of a second polarization into the gaps, a retarder converts the polarization of the light guided into the gaps into the first polarization, and the light guided into the gaps is guided towards the display element after passing through the gaps.
  • the imaging unit has a folding mirror
  • the folding mirror is arranged between a light source and a display element illuminated by the light source at an angle of incidence to the propagation direction of the light
  • the light of undesired polarization is reflected by a reflective circular polarizer 172 under the display to the folding mirror 15, where it is reflected in the previous dead zones, the gaps 163, then converted into the useful direction by the circular polarizer 172 and thus reused.
  • the angle at which the folding mirror, also known as a blazed mirror, is arranged is optimized for a tilt of the display element.
  • One advantageous embodiment consists in aligning the blazed mirror as parallel as possible to the display element. This results in the most even blurring of its structures.
  • image-generating units with LED arrays currently in use there are sometimes significant relative differences in the distance between the LEDs and a scattering element arranged below the display element because the display element is tilted. This leads to Varying visibility of the LED array.
  • This undesirable effect is greatly reduced by aligning the folding mirror and display element in parallel. Equal distance between the display element and the folding mirror means smaller relative path differences.
  • an astigmatism function i.e., a fanning out of the light reaching the display element 11, is achieved according to variants of the invention as follows.
  • the angles ⁇ i of the surfaces 161-i which reflect the light incident from the left, gradually change their angular value.
  • the folding mirror 15 thus formed is curved in one direction.
  • This is a so-called blazed cylindrical mirror.
  • this may be faceted, i.e., equipped with flat mirror surfaces 161-i, as in, for example, Fig.11
  • the light is no longer incident perpendicularly on the reflecting polarizer 17.
  • the reflected light beam would therefore diverge. Therefore, in the exemplary embodiment, the Fig.11 It is planned to design both reflective structures as retroreflectors so that the recycled light also has the desired radiation direction to the respective location.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Head-Up-Display, welches eine Bilderzeugungseinheit mit Faltspiegel aufweist.The present invention relates to a head-up display having an image generation unit with a folding mirror.

Unter einem Head-Up-Display, auch als HUD bezeichnet, wird ein Anzeigesystem verstanden, bei dem der Betrachter seine Blickrichtung beibehalten kann, da die darzustellenden Inhalte in sein Sichtfeld eingeblendet werden. Während derartige Systeme aufgrund ihrer Komplexität und Kosten ursprünglich vorwiegend im Bereich der Luftfahrt Verwendung fanden, werden sie inzwischen auch im Automobilbereich in Großserie verbaut.A head-up display, also known as a HUD, is a display system that allows the viewer to maintain their line of sight by projecting the content into their field of vision. While such systems were originally used primarily in aviation due to their complexity and cost, they are now also being installed in large-scale production in the automotive sector.

Head-Up-Displays bestehen im Allgemeinen aus einer bildgebenden Einheit oder PGU (Picture Generating Unit), einer Optikeinheit und einer Spiegeleinheit. Die bildgebende Einheit erzeugt das Bild und nutzt dazu zumindest ein Anzeigeelement. Die meisten heutigen Head-Up-Displays verwenden zur Bildgenerierung LCD-basierte Displays (LCD: Liquid Crystal Display; Flüssigkristallanzeige). Die Optikeinheit leitet das Bild auf die Spiegeleinheit. Die Spiegeleinheit ist eine teilweise spiegelnde, lichtdurchlässige Scheibe. Der Betrachter sieht also die von der bildgebenden Einheit dargestellten Inhalte als virtuelles Bild und gleichzeitig die reale Welt hinter der Scheibe. Als Spiegeleinheit dient im Automobilbereich oftmals die Windschutzscheibe, deren gekrümmte Form bei der Darstellung berücksichtigt werden muss. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit und Spiegeleinheit ist das virtuelle Bild eine vergrößerte Darstellung des von der bildgebenden Einheit erzeugten Bildes.Head-up displays generally consist of an imaging unit or PGU (Picture Generating Unit), an optical unit, and a mirror unit. The imaging unit generates the image using at least one display element. Most modern head-up displays use LCD-based displays (LCD: Liquid Crystal Display) to generate the image. The optical unit directs the image onto the mirror unit. The mirror unit is a partially reflective, translucent pane. The viewer therefore sees the content displayed by the imaging unit as a virtual image and, at the same time, the real world behind the pane. In the automotive sector, the windshield is often used as the mirror unit, and its curved shape must be taken into account in the display. The interaction of the optical unit and the mirror unit results in the virtual image being an enlarged representation of the image generated by the imaging unit.

Aus der DE 41 02 678 A1 ist ein Head-Up-Display für ein Fortbewegungsmittel bekannt, mit einer bildgebenden Einheit zum Erzeugen eines Bildes, einer Optikeinheit zum Projizieren des Bildes durch eine Spiegeleinheit auf eine virtuelle Bildebene, und einem Faltspiegel, dessen Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind. Diese Eigenschaft wird beispielsweise mittels holographischer Bauteile erzielt, mittels Beugungsgitter, oder mittels Fresnel-Spiegel.From the DE 41 02 678 A1 A head-up display for a means of transport is known, comprising an imaging unit for generating an image, an optical unit for projecting the image by a mirror unit onto a virtual image plane, and a folding mirror, the angle of incidence and angle of reflection of which are unequal. This property is achieved, for example, using holographic components, diffraction gratings, or Fresnel mirrors.

Auch die US 5,313,326 A , die WO 2014/041689 A , die US 2015/0362221 A1 und die US 2018/252917 A1 zeigen Head-Up-Displays bei denen ein Faltspiegel zum Einsatz kommt, dessen Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind.Also the US 5,313,326 A , the WO 2014/041689 A , the US 2015/0362221 A1 and the US 2018/252917 A1 show head-up displays that use a folding mirror whose angle of incidence and angle of reflection are unequal.

Bei diesen bekannten Head-Up-Displays ist der Faltspiegel, dessen Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind, im Abbildungspfad angeordnet. Dort kann der diese Eigenschaft aufweisende Faltspiegel einen ungünstigen Einfluß auf die Bildqualität und/ oder die Störlichtempfindlichkeit haben.In these well-known head-up displays, the folding mirror, whose angle of incidence and angle of reflection are unequal, is positioned in the image path. This property can have an adverse effect on image quality and/or sensitivity to stray light.

Aus der US 2010/0195022 A1 ist eine Hintergrundbeleuchtung für eine Flüssigkristallanzeige bekannt, bei dem eine Kante eines Lichtleiters mit einer Vielzahl von reflektierenden Flächen versehen ist, die einen eng gebündelten Laserstrahl in ein breites Lichtbündel aufweiten. Die Verwendung einer Laserlichtquelle ist bei Head-Up-Displays allerdings hauptsächlich bei Anwendung von Mikro-Spiegel-Einheiten (sog. DMD, englisch: Digital Micro Mirror Device) bekannt, die einen Lichtstrahl sehr geringen Querschnitts mit geringem Öffnungswinkel erfordern.From the US 2010/0195022 A1 A backlight for a liquid crystal display is known in which one edge of a light guide is provided with a multitude of reflective surfaces that expand a tightly focused laser beam into a wide beam of light. However, the use of a laser light source in head-up displays is mainly known for micro-mirror units (so-called DMDs, or Digital Micro Mirror Devices), which require a light beam with a very small cross-section and a narrow aperture angle.

Auch aus der US 2015/036215 A1 ist eine Hintergrundbeleuchtung für eine Flüssigkristallanzeige bekannt.Also from the US 2015/036215 A1 is a backlight for a liquid crystal display.

Aus der US 2019/0212560 A1 ist ein Head-Up-Display bekannt, bei dem ein optisches Element einen Spiegel mit Mikrostrukturen aufweist, die Licht auf eine Anzeigeelement werfen. Als nachteilig ist anzusehen, daß die Beleuchtung des Anzeigeelements ungleichmäßig ist, sie weist dunkle Streifen auf.From the US 2019/0212560 A1 A head-up display is known in which an optical element comprises a mirror with microstructures that project light onto a display element. A disadvantage is that the illumination of the display element is uneven, with dark stripes.

Aus der US 2020/0033600 A1 ist ein Head-Up-Display bekannt, bei dem ein Flüssigkristallanzeigeelement mittels eines Polarisationskonverters möglichst viel des von einer Lichtquelle erzeugten unpolarisierten Lichts verwenden soll.From the US 2020/0033600 A1 A head-up display is known in which a liquid crystal display element is designed to use as much of the unpolarized light generated by a light source as possible by means of a polarization converter.

Aus der US 2019/265472 A1 ist ein Head-Up-Display für ein Fortbewegungsmittel bekannt, mit: einer bildgebenden Einheit zum Erzeugen eines Bildes; einer Optikeinheit zum Projizieren des Bildes mittels einer Spiegeleinheit; wobei die bildgebende Einheit einen Faltspiegel aufweist, der Faltspiegel zwischen einer Lichtquelle und einem von dieser durchleuchteten Anzeigeelement in einem Anstellwinkel zur Ausbreitungsrichtung des von der Lichtquelle auf ihn einfallenden Lichts angeordnet ist, der Faltspiegel Mikrostrukturen aufweist, wobei die Mikrostrukturen erste Spiegelflächen aufweisen, die in einem vom Anstellwinkel des Faltspiegels abweichenden ersten Winkel angeordnet sind, und Lücken bildend voneinander beabstandet sind, und wobei in den Lücken zweite Flächen in einem zweiten Winkel angeordnet sind.From the US 2019/265472 A1 A head-up display for a means of transport is known, comprising: an imaging unit for generating an image; an optical unit for projecting the image by means of a mirror unit; wherein the imaging unit has a folding mirror, the folding mirror is arranged between a light source and a display element illuminated by the light source at an angle of incidence to the propagation direction of the light incident on it from the light source, the folding mirror has microstructures, wherein the microstructures have first mirror surfaces which are arranged at a first angle different from the angle of incidence of the folding mirror and are spaced from one another to form gaps, and wherein second surfaces are arranged at a second angle in the gaps.

Ein gegenüber den bekannten Head-Up-Displays verbessertes Head-Up-Display ist erwünscht.A head-up display that is improved compared to the existing head-up displays is desired.

Ein erfindungsgemäßes Head-Up-Display ist in Anspruch 1 angegeben. Das Head-Up-Display weist eine bildgebende Einheit zum Erzeugen eines Bildes und eine Optikeinheit zum Projizieren des Bildes durch eine Spiegeleinheit auf. Die bildgebende Einheit weist einen Faltspiegel auf. Der Faltspiegel ist zwischen einer Lichtquelle und einem von dieser durchleuchteten Anzeigeelement angeordnet in einem Anstellwinkel zur Ausbreitungsrichtung des von der Lichtquelle auf ihn einfallenden Lichts. Der Anstellwinkel ist vorzugsweise kleiner als 45°, was einen flacheren Bauraum ermöglicht. Der Faltspiegel weist Mikrostrukturen auf. Die Mikrostrukturen weisen erste Spiegelflächen auf, die in einem vom Anstellwinkel des Faltspiegels abweichenden ersten Winkel angeordnet sind, und Lücken bildend voneinander beabstandet sind. In den Lücken sind zweite Flächen in einem zweiten Winkel angeordnet. Ein Polarisator leitet Licht einer ersten Polarisation zum Anzeigeelement und Licht einer zweiten Polarisation in die Lücken. Ein Retarder wandelt die Polarisation des in die Lücken geleiteten Lichts in die erste Polarisation um. Das in die Lücken geleitete Licht wird nach Passieren der Lücken Richtung Anzeigeelement geleitet. Dies hat den Vorteil, dass ein Polarisationsrecycling erzielt wird, und dass auch von den Lücken aus Licht zum Anzeigeelement gelangt. Im Normalfall wird nur eine der von der Lichtquelle erzeugten Polarisationsrichtungen verwendet, wenn das Anzeigeelement ein linear polarisiertes Licht modulierendes Anzeigeelement ist. Dies ist beispielsweise bei Flüssigkristallanzeigen (LCD - Liquid Crystal Display) der Fall. Erfindungsgemäß wird die normalerweise nicht verwendete Polarisation mittels Polarisator und Retarder die Lücken des Faltspiegels ausnutzend in die vom Anzeigeelement benötigte Polarisation umgewandelt und diesem zugeleitet. Das in die Lücken geleitete und diese passierende Licht hat die gleiche Polarisation wie das von den Spiegelflächen polarisierte Licht. Das Anzeigeelement wird somit lückenlos mit Licht einer einzigen Polarisation beleuchtet. Dies erspart im Idealfall auch zusätzliche Homogenisierungsmaßnahmen. Ein solcher Idealfall liegt beispielsweise für bestimmte Tastverhältnisse vor. Bei einem realen System wird die Streifenstruktur beispielsweise noch mit Streuern verwischt. Eine solche Streuung dient dann auch dazu, die Eyebox auszuleuchten.A head-up display according to the invention is specified in claim 1. The head-up display has an imaging unit for generating an image and an optical unit for projecting the image through a mirror unit. The imaging unit has a folding mirror. The folding mirror is arranged between a light source and a display element illuminated by the light source at an angle of incidence to the propagation direction of the light incident on it from the light source. The angle of incidence is preferably less than 45°, which allows for a flatter installation space. The folding mirror has microstructures. The microstructures have first mirror surfaces arranged at a first angle different from the angle of incidence of the folding mirror and spaced from one another to form gaps. Second surfaces are arranged in the gaps at a second angle. A polarizer directs light of a first polarization to the display element and light of a second polarization into the gaps. A retarder converts the polarization of the light directed into the gaps into the first polarization. The light guided into the gaps is then guided towards the display element after passing through the gaps. This has the advantage of achieving polarization recycling and allowing light from the gaps to reach the display element. Normally, only one of the polarizations generated by the light source is Polarization directions are used when the display element is a linearly polarized light modulating display element. This is the case, for example, with liquid crystal displays (LCDs). According to the invention, the normally unused polarization is converted into the polarization required by the display element by means of a polarizer and retarder, exploiting the gaps in the folding mirror and is then passed on to the element. The light directed into and passing through the gaps has the same polarization as the light polarized by the mirror surfaces. The display element is thus illuminated without gaps with light of a single polarization. Ideally, this also eliminates the need for additional homogenization measures. Such an ideal case exists, for example, for certain duty cycles. In a real system, the stripe structure is blurred with scatterers, for example. This type of scattering then also serves to illuminate the eyebox.

Erfindungsgemäß weisen die ersten Spiegelflächen untereinander unterschiedliche erste Winkel auf. Dabei können auch Gruppen von ersten Spiegelflächen mit gleichen ersten Winkeln von Gruppe zu Gruppe unterschiedliche erste Winkel aufweisen. Insbesondere aber weist jede erste Spielfläche einen anderen ersten Winkel als die jeweils anderen ersten Spiegelflächen. Dies hat die Wirkung als handele es sich bei dem Faltspiegel um einen gekrümmten Faltspiegel, auch Zylinderspiegel genannt. Dabei ist der Faltspiegel makroskopisch gesehen nicht gekrümmt, sondern die ersten Spiegelflächen und die zweiten Flächen der Mikrostrukturen sind so angeordnet, daß der Faltspiegel wie ein Zylinderspiegel wirkt. Auf diese Weise wird eine aufgefächerte Abstrahlung beziehungsweise ein Astigmatismus verwirklicht, was bei bestimmten Gegebenheiten eines Head-Up-Displays erwünscht ist.According to the invention, the first mirror surfaces have different first angles among one another. Groups of first mirror surfaces with the same first angles can also have different first angles from group to group. In particular, however, each first playing surface has a different first angle than the other first mirror surfaces. This has the effect of the folding mirror being a curved folding mirror, also called a cylindrical mirror. Macroscopically speaking, the folding mirror is not curved; rather, the first mirror surfaces and the second surfaces of the microstructures are arranged such that the folding mirror acts like a cylindrical mirror. In this way, a fanned-out radiation or astigmatism is achieved, which is desirable in certain circumstances of a head-up display.

Erfindungsgemäß ist der Polarisator als reflektierender Polarisator ausgelegt und zwischen Faltspiegel und Anzeigeelement angeordnet. Der Retarder ist gemäß dieser Variante ein Retarder, der lineare in zirkulare Polarisation umwandelt und wird vom Licht zweimal durchlaufen. Ein solcher Retarder wird auch als λ/4-Plättchen oder Viertelwellenplatte bezeichnet. Hier wird also die Wirkung eines Lambda/2-Retarders aufgeteilt und die Verzögerung auf zwei Durchgänge verteilt.According to the invention, the polarizer is designed as a reflective polarizer and arranged between the folding mirror and the display element. The retarder, according to this variant, is a retarder that converts linear polarization into circular polarization and is passed through by the light twice. Such a retarder is also called a λ/4 plate or quarter-wave plate. Here, the effect of a lambda/2 retarder is split, and the delay is distributed over two passes.

Der Retarder dieser Variante ist zwischen Faltspiegel und Polarisator angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Bauteile flächig auslegbar sind, wodurch kostengünstige Bauteile aus Massenproduktion verwendbar sind.The retarder in this variant is located between the folding mirror and the polarizer. This has the advantage of allowing the components to be designed flat, allowing the use of cost-effective, mass-produced components.

Vorteilhaft wird als Polarisator der eingangsseitige Polarisator eines Anzeigeelements genutzt, welches polarisiertes Eingangslicht erfordert, beispielsweise ein Flüssigkristallanzeigeelement. Dies spart Bauteile ein und geht durch die geringere Anzahl vom Licht zu passierender Grenzflächen auch mit geringeren Lichtleistungsverlusten und weniger Störungen einher.The input-side polarizer of a display element that requires polarized input light, such as a liquid crystal display, is advantageously used as the polarizer. This saves components and, due to the fewer interfaces the light must pass through, also results in lower light output losses and less interference.

Vorteilhaft sind Polarisator und Retarder gemäß dieser Variante auch einstückig als reflektierender zirkularer Polarisator ausgelegt.According to this variant, the polarizer and retarder are also advantageously designed as a single piece as a reflective circular polarizer.

Vorteilhaft ist der reflektierende Polarisator in einem von 90° abweichenden Winkel zur Ausbreitungsrichtung des vom Faltspiegel kommend auf ihn auftreffenden Lichts geneigt, und die spiegelnden zweiten Flächen sind parallel zum reflektierenden Polarisator angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß vom reflektierenden Polarisator reflektiertes Licht, welches nicht oder kaum divergent ist, nicht auf die ersten Spiegelflächen zurückreflektiert wird, sondern, bei geeigneter Wahl von Winkel und Abständen, auf eine der zweiten spiegelnden Flächen in den Lücken. Von diesen wird es parallel zum von den ersten Spiegelflächen reflektierten Licht Richtung Polarisator reflektiert, von dem es, nach Anpassung der Polarisationsrichtung mittels des Retarders, transmittiert wird. Somit wird ein sehr großer Teil des Lichts beider Polarisationen genutzt, und durch die Lücken nahezu keine dunklen Bereiche hervorgerufen. Das Anzeigeelement wird sehr homogen beleuchtet.Advantageously, the reflective polarizer is inclined at an angle other than 90° to the propagation direction of the light incident on it from the folding mirror, and the reflective second surfaces are arranged parallel to the reflective polarizer. This has the advantage that light reflected by the reflective polarizer, which is not or hardly divergent, is not reflected back onto the first mirror surfaces, but rather, with a suitable choice of angle and spacing, onto one of the second reflective surfaces in the gaps. From these, it is reflected parallel to the light reflected by the first mirror surfaces towards the polarizer, from which it is transmitted after the polarization direction has been adjusted by means of the retarder. Thus, a very large proportion of the light of both polarizations is utilized, and almost no dark areas are caused by the gaps. The display element is illuminated very homogeneously.

Gemäß einer Variante der Erfindung ist der Faltspiegel Teil eines transparenten Körpers mit keilförmigem Querschnitt, bei dem die Keilgrundfläche die der Lichtquelle zugewandte Lichteintrittsfläche ist, die Mikrostrukturen auf einer der großen Seitenflächen des Keils angeordnet sind. und die andere große Seitenfläche des Keils die dem Anzeigeelement zugewandte Lichtaustrittsfläche ist. Dies hat den Vorteil, dass der transparente Körper ein großvolumiges Bauteil ist, das weniger anfällig ist als sehr dünne Bauteile, was die Handhabung bei der Herstellung vereinfacht. Der transparente Körper wird beispielsweise in großer Form gegossen und anschließend auf der Lichtaustrittsfläche mit Polarisatorfunktionalität und Retarderfunktionalität versehen, beispielsweise mir entsprechender Beschichtung versehen. Dies sind bewährte Herstellungsverfahren, die zuverlässige Resultate liefern.According to a variant of the invention, the folding mirror is part of a transparent body with a wedge-shaped cross-section, in which the wedge base is the light entry surface facing the light source, the microstructures are arranged on one of the large side surfaces of the wedge, and the other large side surface of the wedge is the light exit surface facing the display element. This has the advantage that the transparent body is a large-volume component. This is less susceptible to damage than very thin components, simplifying handling during production. The transparent body, for example, is cast in a large mold and then provided with polarizer and retarder functionality on the light-emitting surface, for example, with an appropriate coating. These are proven manufacturing processes that deliver reliable results.

Erfindungsgemäß sind spiegelnden zweiten Flächen vorgesehen, die jeweils paarweise einen Retroreflektor bilden. Eine solche Anordnung ist robust gegenüber einer Winkelverkippung. Auch bei nicht exakt zum einfallenden Licht ausgerichtetem Faltspiegel reflektiert dieser so, dass das ausfallende Licht parallel zum einfallenden Licht verläuft.According to the invention, reflective second surfaces are provided, each paired to form a retroreflector. Such an arrangement is robust against angular tilt. Even if the folding mirror is not precisely aligned with the incident light, it reflects in such a way that the outgoing light is parallel to the incoming light.

Erfindungsgemäß weisen die ersten Spiegelflächen untereinander unterschiedliche Winkel auf. Dies kann, wie oben angeführt, gruppenweise erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Variante weist jede der ersten Spiegelflächen einen anderen ersten Winkel auf, und der reflektierende Polarisator weist erste Polarisatorflächen und zweite Polarisatorflächen auf, die jeweils paarweise einen Retroreflektor bilden. Somit wird das von den ersten Spiegelflächen aufgefächerte Licht im Fall der Reflexion am reflektierenden Polarisator um 180° reflektiert, unabhängig davon, mit welchem Winkel es auf den reflektierenden Polarisator auftrifft. Auch die Reflexion an den zweiten Flächen erfolgt um 180°, wenn diese ebenfalls als Retroreflektoren ausgelegt sind. Die von den ersten Spiegelflächen hervorgerufene Winkel-Auffächerung wird also auch nach dieser zweifachen Reflexion beibehalten, das in seiner Polarisation gedrehte Licht passiert dann den reflektierenden Polarisator im gleichen Winkel wie auch das Licht, welches bereits beim ersten Auftreffen auf den reflektierenden Polarisator so polarisiert war, daß es diesen passieren konnte. Auch hier wird eine aufgefächerte Abstrahlung beziehungsweise ein Astigmatismus verwirklicht, was bei bestimmten Gegebenheiten eines Head-Up-Displays erwünscht ist.According to the invention, the first mirror surfaces have different angles to one another. This can be done in groups, as stated above. According to a preferred variant, each of the first mirror surfaces has a different first angle, and the reflective polarizer has first polarizer surfaces and second polarizer surfaces, each of which forms a retroreflector in pairs. Thus, the light fanned out by the first mirror surfaces is reflected by 180° when reflected by the reflective polarizer, regardless of the angle at which it strikes the reflective polarizer. Reflection by the second surfaces also occurs by 180° if these are also designed as retroreflectors. The angular fanning caused by the first mirror surfaces is thus retained even after this double reflection; the light with rotated polarization then passes through the reflective polarizer at the same angle as the light that was already polarized enough to pass through the reflective polarizer when it first struck it. Here, too, a fanned-out radiation or astigmatism is realized, which is desirable in certain conditions of a head-up display.

Vorteilhaft sind Faltspiegel und Anzeigeelement parallel zueinander ausgerichtet. Lichtstrahlen, die vom Faltspiegel kommend auf das Anzeigeelement treffen habe daher eine gleichlange Wegstrecke hinter sich. Eine gleichförmige Beleuchtung des Anzeigeelements wird somit erzielt, da durch Wegstreckenunterschiede hervorgerufene Abweichungen in dieser Konstellation nicht auftreten.Advantageously, the folding mirror and the display element are aligned parallel to each other. Light rays coming from the folding mirror strike the display element therefore, travel a distance of equal length. Uniform illumination of the display element is thus achieved, since deviations caused by differences in distance do not occur in this configuration.

Dieser Vorteil tritt auch dann ein, wenn allgemein in einem Head-Up-Display ein Faltspiegel mit der Eigenschaft dass Einfallswinkel und Ausfallswinkel makroskopisch gesehen ungleich sind parallel zu einem Anzeigeelement dieses Head-Up-Displays ausgerichtet ist.This advantage also occurs when, in a head-up display, a folding mirror with the property that the angle of incidence and the angle of reflection are macroscopically unequal is aligned parallel to a display element of this head-up display.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.Further features of the present invention will become apparent from the following description and the appended claims taken in conjunction with the figures.

FigurenübersichtFigure overview

Fig. 1Fig. 1
zeigt schematisch ein Head-Up-Display gemäß dem Stand der Technik für ein Kraftfahrzeug;shows schematically a head-up display according to the state of the art for a motor vehicle;
Fig. 2Fig. 2
zeigt schematisch die bildgebende Einheit eines Head-Up-Displays;shows schematically the imaging unit of a head-up display;
Fig. 3Fig. 3
zeigt schematisch die bildgebende Einheit eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays;shows schematically the imaging unit of a head-up display according to the invention;
Fig. 4Fig. 4
zeigt schematisch einen Faltspiegel eines Head-Up-Displays;shows schematically a folding mirror of a head-up display;
Fig. 5Fig. 5
zeigt schematisch einen Teil einer ersten Ausführungsformshows schematically a part of a first embodiment
Fig. 6Fig. 6
zeigt schematisch einen Teil einer zweiten Ausführungsformshows schematically a part of a second embodiment
Fig. 7Fig. 7
zeigt schematisch einen Teil einer dritten Ausführungsformshows schematically a part of a third embodiment
Fig.8Fig.8
zeigt eine Variante zur ersten Ausführungsformshows a variant of the first embodiment
Fig.9Fig.9
zeigt eine weitere Ausführungsformshows another embodiment
Fig.10Fig.10
zeigt eine Ausführungsform mit gekrümmtem Faltspiegelshows an embodiment with a curved folding mirror
Fig.11Fig.11
zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit gekrümmtem Faltspiegel.shows an embodiment of the invention with a curved folding mirror.
FigurenbeschreibungCharacter description

Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für gleiche oder gleichwirkende Elemente verwendet und nicht notwendigerweise zu jeder Figur erneut beschrieben. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.To better understand the principles of the present invention, embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the figures. Like reference numerals are used in the figures for like or equivalent elements and are not necessarily described again for each figure. It is understood that the invention is not limited to the illustrated embodiments and that the described features can also be combined or modified without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Head-Up-Displays für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Stand der Technik. Das Head-Up-Display weist eine bildgebende Einheit 1, eine Optikeinheit 2 und eine Spiegeleinheit 3 auf. Von einem Anzeigeelement 11 geht ein Strahlenbündel SB1 aus, welches von einem ersten Spiegel 21 auf einen gekrümmten Spiegel 22 reflektiert wird, der es Richtung Spiegeleinheit 3 reflektiert. Die Spiegeleinheit 3 ist hier als Windschutzscheibe 31 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Von dort gelangt das Strahlenbündel SB2 in Richtung eines Auges 61 eines Betrachters. Fig. 1 shows a schematic diagram of a head-up display for a motor vehicle according to the prior art. The head-up display has an imaging unit 1, an optical unit 2, and a mirror unit 3. A beam SB1 emanates from a display element 11, which is reflected by a first mirror 21 onto a curved mirror 22, which reflects it toward the mirror unit 3. The mirror unit 3 is depicted here as the windshield 31 of a motor vehicle. From there, the beam SB2 travels toward an eye 61 of a viewer.

Der Betrachter sieht ein virtuelles Bild VB, welches sich außerhalb des Kraftfahrzeugs oberhalb der Motorhaube oder sogar vor dem Kraftfahrzeug befindet. Durch das Zusammenwirken von Optikeinheit 2 und Spiegeleinheit 3 ist das virtuelle Bild VB eine vergrößerte Darstellung des vom Anzeigeelement 11 angezeigten Bildes. Hier sind symbolisch eine Geschwindigkeitsbegrenzung, die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Navigationsanweisungen dargestellt. So lange sich das Auge 61 innerhalb der durch ein Rechteck angedeuteten Eyebox 62 befindet, sind alle Elemente des virtuellen Bildes für das Auge 61 sichtbar. Befindet sich das Auge 61 außerhalb der Eyebox 62, so ist das virtuelle Bild VB für den Betrachter nur noch teilweise oder gar nicht sichtbar. Je größer die Eyebox 62 ist, desto weniger eingeschränkt ist der Betrachter bei der Wahl seiner Sitzposition.The observer sees a virtual image VB, which is located outside the motor vehicle above the hood or even in front of the motor vehicle. Due to the interaction of the optical unit 2 and the mirror unit 3, the virtual image VB is an enlarged representation of the image displayed by the display element 11. Here, a speed limit, the Current vehicle speed and navigation instructions are displayed. As long as the eye 61 is within the eyebox 62 indicated by a rectangle, all elements of the virtual image are visible to the eye 61. If the eye 61 is outside the eyebox 62, the virtual image VB is only partially visible or not visible at all to the viewer. The larger the eyebox 62, the less restricted the viewer is in choosing their seating position.

Die Krümmung des gekrümmten Spiegels 22 ist an die Krümmung der Windschutzscheibe 31 angepaßt und sorgt dafür, dass die Bildverzeichnung über die gesamte Eyebox 62 stabil ist. Der gekrümmte Spiegel 22 ist mittels einer Lagerung 221 drehbar gelagert. Die dadurch ermöglichte Drehung des gekrümmten Spiegels 22 ermöglicht ein Verschieben der Eyebox 62 und somit eine Anpassung der Position der Eyebox 62 an die Position des Auges 61. Der erste Spiegel 21 dient dazu, dass der vom Strahlenbündel SB1 zurückgelegte Weg zwischen Anzeigeelement 11 und gekrümmtem Spiegel 22 lang ist, und gleichzeitig die Optikeinheit 2 dennoch kompakt ausfällt. Die Optikeinheit 2 wird durch eine transparente Abdeckung 23 gegen die Umgebung abgegrenzt. Die optischen Elemente der Optikeinheit 2 sind somit beispielsweise gegen im Innenraum des Fahrzeugs befindlichen Staub geschützt. Ein Blendschutz 24 dient dazu, das über die Grenzfläche der Abdeckung 23 reflektierte Licht sicher zu absorbieren, sodass keine Blendung des Betrachters hervorgerufen wird. Außer dem Sonnenlicht SL kann auch das Licht einer anderen Störlichtquelle 64 auf das Anzeigeelement 11 gelangen.The curvature of the curved mirror 22 is adapted to the curvature of the windshield 31 and ensures that the image distortion is stable across the entire eyebox 62. The curved mirror 22 is rotatably mounted by means of a bearing 221. The resulting rotation of the curved mirror 22 enables the eyebox 62 to be moved and thus the position of the eyebox 62 to be adjusted to the position of the eye 61. The first mirror 21 serves to ensure that the path traveled by the beam SB1 between the display element 11 and the curved mirror 22 is long, while at the same time the optical unit 2 remains compact. The optical unit 2 is separated from the environment by a transparent cover 23. The optical elements of the optical unit 2 are thus protected, for example, against dust present in the interior of the vehicle. An anti-glare screen 24 serves to reliably absorb the light reflected across the boundary surface of the cover 23, preventing glare to the viewer. In addition to sunlight SL, light from another interfering light source 64 can also reach the display element 11.

Fig. 2 zeigt schematisch die bildgebende Einheit 1 eines Head-Up-Displays. Man erkennt die Lichtquelle 12, deren Licht von einem Kollimator 13 kollimiert wird. Das kollimierte Lichtbündel weist in der Bildebene eine Höhe h in senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung ABR1 auf. Es wird von einem im Winkel von α=45° zur Ausbreitungsrichtung ABR1 angeordneten Spiegel 14 reflektiert und durchleuchtet in seiner im Winkel von 90° zur Ausbreitungsrichtung ABR1 ausgerichteten Ausbreitungsrichtung ABR2 das Anzeigeelement 11, von wo aus es als Strahlenbündel SB1 in die hier nicht dargestellte Optikeinheit 2 eintritt. Das Anzeigeelement 11 ist nicht rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung ABR2 angeordnet, sondern in einem von 90° abweichenden Winkel, der hier besonders stark von 90° abweichend dargestellt ist. Fig. 2 shows a schematic of the imaging unit 1 of a head-up display. The light source 12 can be seen, the light of which is collimated by a collimator 13. The collimated light beam has a height h in the image plane perpendicular to its propagation direction ABR1. It is reflected by a mirror 14 arranged at an angle of α=45° to the propagation direction ABR1 and, in its propagation direction ABR2, oriented at an angle of 90° to the propagation direction ABR1, illuminates the display element 11, from where it enters the optical unit 2 (not shown here) as a beam SB1. The display element 11 is not perpendicular to the propagation direction ABR2. arranged, but at an angle deviating from 90°, which is shown here as deviating particularly strongly from 90°.

Fig. 3 zeigt schematisch die bildgebende Einheit eines erfindungsgemäßen Head-Up-Displays. Man erkennt den erfindungsgemäßen Faltspiegel 15, der in einem Winkel von β<45° angeordnet ist. Aufgrund seiner Eigenschaft, dass Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind, ändert sich an der prinzipiellen Ausbreitungsrichtung ABR1 des auf ihn von der Lichtquelle 12 her kommenden Lichts und des von ihm in Ausbreitungsrichtung ABR2 in Richtung Anzeigeelement 11 reflektierten Lichts im Vergleich zur vorhergehenden Abbildung nichts. Allerdings fallen die Ausdehnung der Lichtquelle 12 und des Kollimators 13, sowie die Höhe h' des kollimierten Lichtbündels kleiner aus als zur vorhergehenden Abbildung. Eine Bauraumeinsparung ist somit realisiert. Die Höhe h' in dieser Abbildung ist kleiner als die Höhe h in der vorhergehenden Abbildung. Dies bedeutet nicht nur, dass der Raumbedarf der Anordnung kleiner ist, sondern auch, dass die Beleuchtungseinheit, hier die Lichtquelle 12, nur ein flacheres Lichtbündel zu erzeugen hat, womit auch die Lichtquelle 12 kompakter ausfällt. Ein ebenfalls wichtiger Bauraumvorteil basiert auf der freieren Positionierbarkeit der Lichtquelle bei gleichzeitiger Einhaltung des Wunschwinkels im Bereich des Displays. Die kleinere Lichtquelle spart zusätzlich Platz in der Realisierungsform, beispielsweise als Leuchtdioden. Fig. 3 shows a schematic of the imaging unit of a head-up display according to the invention. The folding mirror 15 according to the invention can be seen, which is arranged at an angle of β<45°. Due to its property that the angle of incidence and the angle of reflection are unequal, the basic propagation direction ABR1 of the light arriving at it from the light source 12 and the light reflected by it in the propagation direction ABR2 toward the display element 11 remains unchanged compared to the previous figure. However, the dimensions of the light source 12 and the collimator 13, as well as the height h' of the collimated light beam, are smaller than in the previous figure. This saves installation space. The height h' in this figure is smaller than the height h in the previous figure. This not only means that the arrangement requires less space, but also that the lighting unit, here the light source 12, only has to generate a flatter light beam, which also makes the light source 12 more compact. Another important space advantage is the greater freedom of positioning the light source while maintaining the desired angle in the display area. The smaller light source also saves space in the implementation, for example, as LEDs.

In der Abbildung ist der Abstand zwischen Anzeigeelement 11 und Faltspiegel 15 der Übersichtlichkeit halber größer dargestellt als er tatsächlich ist. Die erfindungsgemäß erzielte Bauraumeinsparung ist in der Abbildung hauptsächlich an der Höhe h' erkennbar, die geringer ist als die Höhe h der vorhergehenden Abbildung. Auch scheint die Fläche der Ausleuchtung des Anzeigeelements 11 kleiner zu sein als in der vorhergehenden Abbildung, was ebenfalls nicht der Fall ist, sondern der schematischen Darstellung geschuldet ist.In the illustration, the distance between display element 11 and folding mirror 15 is shown larger than it actually is for the sake of clarity. The space savings achieved by the invention are primarily evident in the illustration by the height h', which is smaller than the height h in the previous illustration. The illuminated area of display element 11 also appears smaller than in the previous illustration, which is also not the case but is due to the schematic representation.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Faltspiegel 15 eines Head-Up-Displays. Der Faltspiegel 15 weist eine erste Grenzfläche 151 auf, an der einfallendes Licht reflektiert wird, und eine zweite Grenzfläche 152. Man erkennt, dass der Faltspiegel 15 an seiner ersten Grenzfläche 151, der reflektierenden Oberfläche, viele Mikrostrukturen 16 aufweist, die jede für sich die bekannte Regel, dass Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel ist, erfüllt. Makroskopisch gesehen, über die Mikrostrukturen 16 hinweggemittelt, sind erste Grenzfläche 151 und zweite Grenzfläche 152 parallel zueinander. Die Mikrostrukturen 16 weisen erste Spiegelflächen 161 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Winkel von 45° zur Ausbreitungsrichtung ABR1 und zur Ausbreitungsrichtung ABR2 aufweisen. In Ausbreitungsrichtung ABR1 befinden sich Lücken 163 zwischen jeweils zwei Spiegelflächen 161. Die Spiegelflächen 161 sind in den Lücken 163 durch geneigte zweite Flächen 162 miteinander verbunden. Fig. 4 shows a schematic view of a folding mirror 15 of a head-up display. The folding mirror 15 has a first boundary surface 151, at which incident light is reflected, and a second boundary surface 152. It can be seen that the folding mirror 15 has at its first interface 151, the reflective surface, many microstructures 16, each of which satisfies the well-known rule that the angle of incidence equals the angle of reflection. Macroscopically, averaged across the microstructures 16, the first interface 151 and the second interface 152 are parallel to one another. The microstructures 16 have first mirror surfaces 161, which in the illustrated embodiment have an angle of 45° to the propagation direction ABR1 and to the propagation direction ABR2. In the propagation direction ABR1, there are gaps 163 between each two mirror surfaces 161. The mirror surfaces 161 are connected to one another in the gaps 163 by inclined second surfaces 162.

Makroskopisch betrachtet ist der Einfallswinkel θ1 des Faltspiegels 15 größer als dessen Ausfallswinkel θ2, die jeweils zur Senkrechten auf den Grenzflächen 151, 152 eingezeichnet sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel betragen θ1=90°-β und θ2=β. Man erkennt ein Einfallstrahlenbündel ESB in Ausbreitungsrichtung ABR1, welches nach Reflexion am Faltspiegel 15 als Ausfallstrahlenbündel ASB in Ausbreitungsrichtung ASR2 den Faltspiegel 15 verlässt.Macroscopically, the angle of incidence θ1 of the folding mirror 15 is greater than its angle of reflection θ2, which are indicated relative to the perpendicular on the interfaces 151, 152. In the illustrated embodiment, θ1=90°-β and θ2=β. An incident beam ESB can be seen in the propagation direction ABR1, which, after reflection at the folding mirror 15, leaves the folding mirror 15 as the reflected beam ASB in the propagation direction ASR2.

Vorkollimierte Lichtquellen, die gegebenenfalls aus mehreren nebeneinander angeordneten Einzellichtquellen, sogenannten Arrays bestehen, strahlen entweder direkt auf Diffusoren hinter dem Anzeigeelement, im folgenden auch als Display bezeichnet, oder werden vorher durch Faltspiegel umgelenkt. Bei diesen gilt makroskopisch Einfallswinkel=Ausfallswinkel. Das führt zu Bauraumkonflikten. In den Ecken/Kanten zwischen Arrayzellen können besonders starke Farb- und Helligkeitsabweichungen auftreten. Oftmals werden als Lichtquellen Leuchtdioden (englisch: LED, Light Emitting Diode) verwendet. Die nicht zum Display-Polarisator passende Polarisationsrichtung des LED-Lichts wird vom Display abgehalten und geht verloren. Dies erfordert zusätzliche Komponenten oder erfolgt im Display und erwärmt dieses. Eine Verkippung des Faltspiegels um einen Winkel ändert den Winkel des beleuchtenden Lichts um den doppelten Winkel.Pre-collimated light sources, which may consist of several individual light sources arranged side by side, so-called arrays, either shine directly onto diffusers behind the display element, also referred to below as the display, or are deflected beforehand by folding mirrors. In these cases, the macroscopic angle of incidence = angle of reflection. This leads to space conflicts. Particularly strong color and brightness deviations can occur in the corners/edges between array cells. Light-emitting diodes (LEDs) are often used as light sources. The polarization direction of the LED light, which does not match the display polarizer, is deflected by the display and lost. This requires additional components or occurs within the display and heats it up. Tilting the folding mirror by one angle changes the angle of the illuminating light by twice the angle.

Solche Lösungen haben den Nachteil eines erhöhten Bauraumbedarfs, der die Bildgröße einschränkt, der Erfordernis von Arrays mit relativ hohen Zellenzahlen, Farb- und Helligkeitsinhomogenitäten, sowie Effizienzeinbußen durch Verlust einer Polarisationskomponente. Verbesserte Konzepte für Bilderzeugungseinheiten, die mit gegeben Bauraumanforderungen in Einklang zu bringen sind, sind erwünscht und erfindungsgemäß gezeigt.Such solutions have the disadvantage of increased space requirements, which limits the image size, the requirement of arrays with relatively high cell counts, Color and brightness inhomogeneities, as well as efficiency losses due to the loss of a polarization component, are desirable and demonstrated by the invention.

Kernidee der Erfindung ist ein fein gestufter Faltspiegel 15, der makroskopisch von Einfallswinkel=Ausfallswinkel eines herkömmlichen Spiegels 14 abweicht, siehe Fig.4, und mit im folgenden Text beschriebenen Weiterbildungen ein Polarisationsrecycling ermöglicht. Die so gewonnenen Eigenschaften und Freiheiten eröffnen einen ganzen Strauß von Designmöglichkeiten mit Vorteilen über die Bauraumersparnis hinaus.The core idea of the invention is a finely stepped folding mirror 15, which macroscopically deviates from the angle of incidence = angle of reflection of a conventional mirror 14, see Fig.4 , and with the further developments described below, polarization recycling is possible. The properties and freedom thus gained open up a whole range of design possibilities with advantages beyond space savings.

Damit gibt es einerseits besonders platzsparende Möglichkeiten, den Strahlengang der Bilderzeugungseinheit 1 in den Bauraum zu falten. Die Lichtverteilung wird aufgespreizt, indem sie in Streifen geteilt wird, die auseinandergezogen werden. Dadurch kann die ursprüngliche Beleuchtungseinheit verkleinert werden. Das hilft, Arraygrenzen im Bildbereich zu vermeiden und die Homogenität zu verbessern. Erfindungsgemäße Ausführungsvarianten erlauben toleranzunempfindliche Designs und Effizienzsteigerung durch Polarisationsrecycling.This provides particularly space-saving options for folding the beam path of the imaging unit 1 into the installation space. The light distribution is spread by dividing it into strips that are then pulled apart. This allows the original illumination unit to be reduced in size. This helps avoid array boundaries in the image area and improves homogeneity. Design variants according to the invention allow for tolerance-insensitive designs and increased efficiency through polarization recycling.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Teil einer ersten hier nicht beanspruchten Ausführungsform. Man erkennt den Faltspiegel 15 dessen obere Grenzfläche 151 Mikrostrukturen 16 aufweist, und dessen untere Grenzfläche 152 keine besonderen, in Zusammenhang mit der Erfindung wesentlichen optischen oder geometrischen Eigenschaften aufweist. Die Mikrostrukturen 16 weisen erste Spiegelflächen 161 auf, die einen Winkel von 45° zur Ausbreitungsrichtung ABR1 des einfallenden Lichts aufweisen. Zwischen den ersten Spiegelflächen 161 befinden sich Lücken 163, in denen zweite Flächen 162 angeordnet sind, die ebenfalls als spiegelnde Flächen ausgelegt sind. Die zweiten Flächen 162 sind parallel zur Ausbreitungsrichtung ABR1 des einfallenden Lichts ausgerichtet. Oberhalb des Faltspiegels 15 sind ein Retarder 18 und ein Polarisator 17 angeordnet. Der Retarder 18 hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Eigenschaft einer Viertelwellenlängenplatte, das heißt, er wandelt linear polarisiertes Eingangslicht in zirkular polarisiertes Ausgangslicht um, und umgekehrt. Der Polarisator 17 ist ein reflektierender Polarisator, der linearpolarisiertes Licht einer erste Polarisationsrichtung passieren lässt, und senkrecht dazu polarisiertes Licht reflektiert. Fig. 5 shows schematically a part of a first embodiment not claimed here. One can see the folding mirror 15, the upper boundary surface 151 of which has microstructures 16, and the lower boundary surface 152 of which has no special optical or geometric properties essential in connection with the invention. The microstructures 16 have first mirror surfaces 161, which are at an angle of 45° to the propagation direction ABR1 of the incident light. Between the first mirror surfaces 161 there are gaps 163, in which second surfaces 162 are arranged, which are also designed as reflective surfaces. The second surfaces 162 are aligned parallel to the propagation direction ABR1 of the incident light. A retarder 18 and a polarizer 17 are arranged above the folding mirror 15. In the present embodiment, the retarder 18 has the property of a quarter-wave plate, i.e., it converts linearly polarized input light into circularly polarized output light, and vice versa. The polarizer 17 is a reflective polarizer that allows linearly polarized light of a first polarization direction to pass through and reflects light polarized perpendicular to it.

Von links fällt von der Lichtquelle 12 erzeugtes und vom Kollimator 13 kollimiertes unpolarisiertes Licht L1 in Ausbreitungsrichtung ABR1 auf den Faltspiegel 15. Der Übersichtlichkeit halber ist hier nur ein Lichtstrahl beispielhaft eingezeichnet. Dieses unpolarisierte Licht L1 wird von den Spiegelflächen 161 reflektiert. Es gelangt in Ausbreitungsrichtung ABR2 als unpolarisiertes Licht L2 zum Retarder 18, passiert diesen und verlässt diesen als unpolarisiertes Licht L3. Es trifft auf den reflektierenden Polarisator 17, der s-polarisiertes Licht L4s passieren lässt (transmittiert) und p-polarisiertes Licht L4p zurückwirft (reflektiert). Dies ist der Übersichtlichkeit halber in der Abbildung nach rechts versetzt schematisch dargestellt. Das p-polarisierte Licht L4p passiert den Retarder 18 und verlässt diesen als zirkular polarisiertes Licht L5z. Dieses trifft auf die spiegelnde zweite Flächen 162 und wird von diesen als zirkular polarisiertes Licht L6z wieder zum Retarder 18 reflektiert. Es passiert diesen und verlässt diesen als s-polarisiertes Licht L7s. Dieses passiert den reflektierenden Polarisator 17 da es nun die Polarisationsrichtung aufweist, die er nicht reflektiert, sondern transmittiert. Somit gelangt weiteres s-polarisiertes Licht L8s Richtung Anzeigeelement 11.From the left, unpolarized light L1, generated by light source 12 and collimated by collimator 13, falls onto folding mirror 15 in propagation direction ABR1. For the sake of clarity, only one light beam is shown here as an example. This unpolarized light L1 is reflected by mirror surfaces 161. It reaches retarder 18 in propagation direction ABR2 as unpolarized light L2, passes through it, and leaves it as unpolarized light L3. It strikes reflective polarizer 17, which transmits s-polarized light L4s and reflects p-polarized light L4p. For the sake of clarity, this is shown schematically offset to the right in the figure. P-polarized light L4p passes through retarder 18 and leaves it as circularly polarized light L5z. This light strikes the reflective second surface 162 and is reflected by it as circularly polarized light L6z back to the retarder 18. It passes through the retarder and exits it as s-polarized light L7s. This light passes through the reflective polarizer 17 because it now has the polarization direction that it transmits rather than reflects. Thus, further s-polarized light L8s reaches the display element 11.

In der Abbildung ist das jeweils beschriebene Licht Lxn (x=1,2,... ; n=p/z/s/_) parallel zur jeweiligen Ausbreitungsrichtung ABR1, ABR2 gezeichnet, und nach einer Reflexion am Polarisator 17 oder an einer spiegelnden zweiten Fläche 162 seitlich versetzt abgebildet. Letzteres deutet an, dass das Licht im Normalfall nicht aus ideal parallelen Strahlen besteht, sondern aus zumindest leicht divergenten Strahlen. Diese werden vom Polarisator 17 zu einem großen Teil schräg reflektiert, sodass sie auf eine der spiegelnden zweiten Fläche 162 gelangen, und dort erneut reflektiert werden. Zusätzlich oder alternativ können die ersten Spiegelflächen 161 mit einer Wölbung versehen sein, die das von ihnen reflektierte Licht L2 bereits divergenter macht als das auf sie treffende Licht L1. Weitere Möglichkeiten bestehen darin, den Polarisator zu wellen oder zu neigen. Bei Neigung wird vorteilhafterweise die Neigung der Spiegelflächen 162 angepasst, um die Winkelabweichung zu minimieren. Mit einer oder mehreren dieser Maßnahmen füllt bereits ein Teil des vom Polarisator 17 transmittierten Lichts L4s einen Teil der aufgrund der Lücken 163 verursachten dunklen Bereiche im auf das Anzeigeelement 11 zu laufenden Lichts auf. Zum anderen gelangt Licht L8s auch in diese dunklen Bereiche. Es gelangt mehr des ursprünglich eintreffenden Lichts L1 zum Anzeigeelement 11 und weist ein gleichmäßigeres Helligkeitsprofil auf. Das Anzeigeelement 11 befindet sich im Abstand oberhalb des Polarisators 17 und ist hier nicht eingezeichnet. Der markierte Bereich F8 kann gemäß einer weiter unten beschriebenen Variante vorteilhaft ausgestaltet werden.In the figure, the respective described light Lxn (x=1,2,...; n=p/z/s/_) is drawn parallel to the respective propagation direction ABR1, ABR2, and after reflection at the polarizer 17 or at a reflective second surface 162, is imaged laterally offset. The latter indicates that the light normally does not consist of ideally parallel rays, but of at least slightly divergent rays. These are largely reflected obliquely by the polarizer 17, so that they reach one of the reflective second surfaces 162, where they are reflected again. Additionally or alternatively, the first mirror surfaces 161 can be provided with a curvature, which makes the light L2 reflected by them more divergent than the light L1 incident on them. Further possibilities include undulating or tilting the polarizer. With tilting Advantageously, the inclination of the mirror surfaces 162 is adjusted to minimize the angular deviation. With one or more of these measures, a portion of the light L4s transmitted by the polarizer 17 already fills some of the dark areas in the light traveling toward the display element 11 caused by the gaps 163. On the other hand, light L8s also reaches these dark areas. More of the originally incident light L1 reaches the display element 11 and has a more uniform brightness profile. The display element 11 is located at a distance above the polarizer 17 and is not shown here. The marked area F8 can be advantageously configured according to a variant described further below.

Fig. 6 zeigt schematisch einen Teil einer zweiten hier nicht beanspruchten Ausführungsform. Hier ist der Faltspiegel 15 Teil eines transparenten Körpers 19. Der transparente Körper 19 weist einen keilförmigen Querschnitt auf, was hier im Querschnitt gezeigt ist. Die Spitze des Keils, die sich in der Abbildung rechts befindet, ist gekappt und daher nicht abgebildet. Die Keilgrundfläche 191 ist die der Lichtquelle zugewandte Lichteintrittsfläche. Die Mikrostrukturen 16 sind auf einer der großen Seitenflächen 192 des Keils angeordnet. Die andere große Seitenfläche 193 des Keils bildet die dem Anzeigeelement 11 zugewandte Lichtaustrittsfläche. Fig. 6 schematically shows part of a second embodiment not claimed here. Here, the folding mirror 15 is part of a transparent body 19. The transparent body 19 has a wedge-shaped cross-section, which is shown here in cross-section. The tip of the wedge, which is located on the right in the figure, is capped and therefore not shown. The wedge base surface 191 is the light entry surface facing the light source. The microstructures 16 are arranged on one of the large side surfaces 192 of the wedge. The other large side surface 193 of the wedge forms the light exit surface facing the display element 11.

In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform sind die Mikrostrukturen 16, der Polarisator 17 und der Retarder 18 so angeordnet wie in der vorhergehenden Abbildung gezeigt. Bei der hier gezeigten Ausführungsform sind die ersten Spiegelflachen 161, wie zuvor beschrieben, in einem Winkel von 45° zu den Ausbreitungsrichtungen ABR1, ABR2 angeordnet. Die spiegelnden zweiten Flächen 162 sind allerdings nicht parallel zur Ausbreitungsrichtung ABR1 angeordnet, sondern in einem spitzen Winkel dazu verkippt. Sie sind so geneigt, dass sie dem von links einfallenden Licht L1 auf seinem Weg zu einer der ersten Spiegelflächen 161 nicht im Wege stehen, sondern in dessen Ausbreitungsrichtung gesehen von einer ersten Spiegelfläche 161 zur nächsten weggeneigt sind. Die andere große Seitenfläche 193 des keilförmigen transparenten Körpers 19 weist dieselbe Neigung auf wie die spiegelnden zweiten Flächen 162. Man erkennt dies an dem spitzen Winkel zwischen der Normalen 193N der Seitenfläche 193 und der Ausbreitungsrichtung ABR2. Der hier als reflektiver zirkularer Polarisator 172 ausgebildete Polarisator, der auch die Funktion des Retarders 18 in sich vereint, ist auf der Seitenfläche 193 angeordnet, und weist somit dieselbe Neigung auf. Die erste große Seitenfläche 192 ist mit einer Spiegelbeschichtung versehen.In an embodiment not shown here, the microstructures 16, the polarizer 17, and the retarder 18 are arranged as shown in the previous figure. In the embodiment shown here, the first mirror surfaces 161, as previously described, are arranged at an angle of 45° to the propagation directions ABR1, ABR2. However, the reflective second surfaces 162 are not arranged parallel to the propagation direction ABR1, but are tilted at an acute angle to it. They are inclined such that they do not obstruct the light L1 incident from the left on its path to one of the first mirror surfaces 161, but are inclined away from one first mirror surface 161 to the next, viewed in its propagation direction. The other large side surface 193 of the wedge-shaped transparent body 19 has the same inclination as the reflective second surfaces 162. This can be seen from the acute angle between the normal 193N of the side surface 193 and the Propagation direction ABR2. The polarizer, designed here as a reflective circular polarizer 172, which also combines the function of the retarder 18, is arranged on the side surface 193 and thus has the same inclination. The first large side surface 192 is provided with a mirror coating.

Von links fällt von der Lichtquelle 12 erzeugtes und vom Kollimator 13 kollimiertes unpolarisiertes Licht L1 in Ausbreitungsrichtung ABR1 auf den Faltspiegel 15. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur wenige Lichtstrahlen beispielhaft eingezeichnet. Dieses unpolarisierte Licht L1 wird von den Spiegelflächen 161 reflektiert. Es gelangt in Ausbreitungsrichtung ABR2 als unpolarisiertes Licht L2 zum reflektiven zirkularen Polarisator 172. Dieser transmittiert s-polarisiertes Licht L4s und reflektiert zirkular polarisiertes Licht L5z. Aufgrund der geringfügigen Verkippung der Senkrechten auf der Seitenfläche 193 zur Ausbreitungsrichtung ABR2 breitet sich dieses zirkular polarisierte Licht L5z in einem von 0° abweichenden Winkel zur Ausbreitungsrichtung ABR2 aus. Dieses trifft auf die spiegelnde zweite Flächen 162 und wird von diesen als zirkular polarisiertes Licht L6z wieder zum Retarder 18 reflektiert. Aufgrund der geneigten Anordnung der spiegelnden zweiten Flächen 162 breitet es sich nun wieder parallel zur Ausbreitungsrichtung ABR2 aus. Es trifft auf den reflektiven zirkularen Polarisator 172 und wird von diesem transmittiert. Somit gelangt weiteres s-polarisiertes Licht L8s Richtung Anzeigeelement 11.From the left, unpolarized light L1, generated by light source 12 and collimated by collimator 13, falls onto folding mirror 15 in propagation direction ABR1. For the sake of clarity, only a few light rays are shown here as examples. This unpolarized light L1 is reflected by mirror surfaces 161. It reaches reflective circular polarizer 172 in propagation direction ABR2 as unpolarized light L2. This polarizer transmits s-polarized light L4s and reflects circularly polarized light L5z. Due to the slight tilt of the perpendicular on side surface 193 to propagation direction ABR2, this circularly polarized light L5z propagates at an angle deviating from 0° to propagation direction ABR2. This light strikes the reflective second surfaces 162 and is reflected back to retarder 18 as circularly polarized light L6z. Due to the inclined arrangement of the reflective second surfaces 162, it now propagates again parallel to the propagation direction ABR2. It strikes the reflective circular polarizer 172 and is transmitted by it. Thus, further s-polarized light L8s reaches the display element 11.

Die Abbildung ist somit auch ein Beispiel für die Variante der Erfindung, bei der der reflektierende Polarisator 172 in einem von 90° abweichenden Winkel zur Ausbreitungsrichtung ABR2 des vom Faltspiegel 15 kommend auf ihn auftreffenden Lichts L2 geneigt ist, und die spiegelnden zweiten Flächen 162 parallel zum reflektierenden Polarisator 172 angeordnet sind.The figure is thus also an example of the variant of the invention in which the reflective polarizer 172 is inclined at an angle different from 90° to the propagation direction ABR2 of the light L2 coming from the folding mirror 15 and incident on it, and the reflective second surfaces 162 are arranged parallel to the reflective polarizer 172.

Fig. 7 zeigt schematisch einen Teil einer dritten hier nicht beanspruchten Ausführungsform. Hier weist der Faltspiegel 15 eine erste Grenzfläche 151 und eine zweite Grenzfläche 152 auf, die beide zueinander parallel angeordnet sind, und zueinander versetz angeordnete Mikrostrukturen 16,16' aufweisen. Der Versatz ist im dargestellten Ausführungsbeispiel so gewählt, dass in Ausbreitungsrichtung ABR1 des von der Lichtquelle 12 kommenden Lichts L1 erste Spiegelflächen 161 der ersten Grenzfläche 151 und erste Spiegelflächen 161' der zweiten Grenzfläche 152 aufeinander folgen. In der dazu senkrechten Ausbreitungsrichtung ABR2 folgen jeweils erste Spiegelflächen 161 der ersten Grenzfläche 151 und zweite Flächen 162' der zweiten Grenzfläche 152 aufeinander, sowie zweite Flächen 162 der ersten Grenzfläche 151 und erste Spiegelflächen 161' der zweiten Grenzfläche 152 aufeinander. Die Spiegelflächen 161 der ersten Grenzfläche 151 sind als spiegelnder Polarisator 17 ausgebildet. Die zweiten Flächen 162 der ersten Grenzfläche 151 sind als die Polarisationsrichtung um 90° drehender Retarder 18 ausgebildet. Die ersten Spiegelflächen 161' der zweiten Grenzschicht 152 sind als die Polarisation nicht beeinflussende Spiegel ausgebildet. Die erste Spiegelflächen 161,161' sind im Winkel von 45° sowohl zur Ausbreitungsrichtung ABR1 des von der Lichtquelle 12 kommenden Lichts L1 als auch zur Ausbreitungsrichtung ABR2 des zum Anzeigeelement 11 verlaufenden Lichts angeordnet. Die zweiten Flächen 162,162' sind parallel zur Ausbreitungsrichtung ABR1 des von der Lichtquelle 12 kommenden Lichts L1 angeordnet. Fig. 7 shows schematically a part of a third embodiment not claimed here. Here, the folding mirror 15 has a first interface 151 and a second interface 152, both of which are arranged parallel to one another and have microstructures 16, 16' arranged offset from one another. The offset is selected in the illustrated embodiment such that in the propagation direction ABR1 of the light L1 coming from the light source 12, first mirror surfaces 161 of the first interface 151 and first mirror surfaces 161' of the second interface 152 follow one another. In the propagation direction ABR2 perpendicular thereto, first mirror surfaces 161 of the first interface 151 and second surfaces 162' of the second interface 152 follow one another, as do second surfaces 162 of the first interface 151 and first mirror surfaces 161' of the second interface 152. The mirror surfaces 161 of the first interface 151 are designed as a reflective polarizer 17. The second surfaces 162 of the first interface 151 are designed as a retarder 18 that rotates the polarization direction by 90°. The first mirror surfaces 161' of the second interface 152 are designed as mirrors that do not influence the polarization. The first mirror surfaces 161, 161' are arranged at an angle of 45° to both the propagation direction ABR1 of the light L1 coming from the light source 12 and the propagation direction ABR2 of the light traveling to the display element 11. The second surfaces 162, 162' are arranged parallel to the propagation direction ABR1 of the light L1 coming from the light source 12.

Von links fällt von der Lichtquelle 12 erzeugtes und vom Kollimator 13 kollimiertes unpolarisiertes Licht L1 in Ausbreitungsrichtung ABR1 auf den Faltspiegel 15. Der Übersichtlichkeit halber ist hier nur ein Lichtstrahl beispielhaft eingezeichnet. Dieses unpolarisierte Licht L1 wird von den Spiegelflächen 161 als s-polarisiertes Licht L2s reflektiert und als p-polarisiertes Licht L2p transmittiert. Das s-polarisierte Licht L2s gelangt in Ausbreitungsrichtung ABR2 Richtung Anzeigeelement 11. Das p-polarisierte Licht L2p wird von den ersten Spiegelflächen 161' der zweiten Grenzfläche 152 reflektiert und gelangt als p-polarisiertes Licht L3p von innen zu den zweiten Flächen 162 der ersten Grenzfläche 151. Da diese als die Polarisation um 90° drehende Retarder 18 ausgebildet sind, transmittieren sie das auf sie auftreffende Licht, welches sie als s-polarisiertes Licht L4s in Ausbreitungsrichtung ABR2 im Bereich der Lücken 163 verlässt. Somit gelangt weiteres s-polarisiertes Licht L4s Richtung Anzeigeelement 11.From the left, unpolarized light L1, generated by light source 12 and collimated by collimator 13, falls onto folding mirror 15 in the propagation direction ABR1. For clarity, only one light beam is shown here as an example. This unpolarized light L1 is reflected by mirror surfaces 161 as s-polarized light L2s and transmitted as p-polarized light L2p. The s-polarized light L2s travels in the propagation direction ABR2 toward the display element 11. The p-polarized light L2p is reflected by the first mirror surfaces 161' of the second interface 152 and travels as p-polarized light L3p from the inside to the second surfaces 162 of the first interface 151. Since these are designed as retarders 18 that rotate the polarization by 90°, they transmit the light incident on them, which leaves them as s-polarized light L4s in the propagation direction ABR2 in the region of the gaps 163. Thus, further s-polarized light L4s travels toward the display element 11.

Fig.8 zeigt den in Fig.5 markierten Bereich F8 in einer vorteilhaften Variante. Anstatt einer einzigen Fläche sind hier zwei spiegelnde zweite Flächen 1621,1622 vorgesehen, die in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Sie wirken daher als Retroreflektor. Einfallendes Licht L5z wird dabei auf jeden Fall so reflektiert, daß das ausfallende Licht L6z parallel zu ihm ausgerichtet ist. Während bei der in Fig.5 gezeigten Variante einfallendes und ausfallendes Licht nur dann parallel zueinander sind, wenn das einfallende Licht genau rechtwinklig auf die spiegelnde Fläche 162 trifft, ist dies bei einem Retroreflektor auch bei Winkelabweichung der Fall. Fig.8 shows the Fig.5 marked area F8 in an advantageous variant. Instead of a single surface, there are two reflective second surfaces 1621,1622 which are arranged at right angles to each other. They therefore act as retroreflectors. Incident light L5z is always reflected in such a way that the outgoing light L6z is aligned parallel to it. While in the Fig.5 In the variant shown, the incident and outgoing light are only parallel to each other when the incident light hits the reflecting surface 162 at exactly a right angle, this is also the case with a retroreflector when there is an angular deviation.

Fig.9 zeigt eine bildgebende Einheit 1 ähnlich wie zu Fig.3 beschrieben. Hier ist allerdings das Anzeigeelement 11 im gleichen Winkel β angeordnet wie der Faltspiegel 15. Faltspiegel 15 und Anzeigeelement 11 sind somit parallel zueinander ausgerichtet. Lichtstrahlen, die vom Faltspiegel 15 kommend auf das Anzeigeelement 11 treffen habe daher eine gleichlange Wegstrecke hinter sich. Eine gleichförmige Beleuchtung des Anzeigeelements 11 wird somit erzielt, da durch Wegstreckenunterschiede hervorgerufene Abweichungen in dieser Konstellation nicht auftreten. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Verwendung eines flächigen Anzeigeelements 11, das beispielsweise aus einem einzigen flächigen Leuchtelement besteht, oder aus einem LED-Array bei dem mehrere LEDs auf einer Fläche verteilt angeordnet sind. Dieser Vorteil tritt auch dann ein, wenn allgemein in einem Head-Up-Display ein Faltspiegel mit der Eigenschaft daß Einfallswinkel und Ausfallswinkel makroskopisch gesehen ungleich sind parallel zu einem Anzeigeelement dieses Head-Up-Displays ausgerichtet ist. Fig.9 shows an imaging unit 1 similar to Fig.3 described. Here, however, the display element 11 is arranged at the same angle β as the folding mirror 15. The folding mirror 15 and the display element 11 are thus aligned parallel to one another. Light rays coming from the folding mirror 15 that strike the display element 11 therefore have a path of equal length. Uniform illumination of the display element 11 is thus achieved, since deviations caused by differences in path distance do not occur in this constellation. This is particularly advantageous when using a flat display element 11 that consists, for example, of a single flat light element, or of an LED array in which several LEDs are distributed over a surface. This advantage also arises when, in a head-up display, a folding mirror with the property that the angle of incidence and angle of reflection are macroscopically unequal is aligned parallel to a display element of this head-up display.

Fig.10 zeigt schematisch einen Teil einer hier nicht beanspruchten Ausführungsform mit gekrümmtem Faltspiegel 15. Dabei ist der Faltspiegel 15 makroskopisch gesehen nicht gekrümmt, sondern die Mikrostrukturen 16 sind so angeordnet, dass der Faltspiegel 15 wie ein Zylinderspiegel wirkt. Der Faltspiegel 15 weist zwei zueinander parallele Grenzflächen 151,152 auf. Die obere Grenzfläche 151 ist die Grenzfläche, die das einfallende Licht L1 zuerst erreicht. Die obere Grenzfläche 151 weist erste Spiegelflächen 161-i mit i=1,2,3,... auf, von denen im hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Spiegelflächen 161-1, 161-2 und 161-3 gezeigt sind. Die obere Grenzfläche 151 weist zweite Flächen 162-i auf mit i=1,2,3,..., von denen im hier dargestellten Ausführungsbeispiel die zweiten Flächen 162-1, 162-2 und 162-3 gezeigt sind. Diese befinden sich in Lücken 163 zwischen den Spiegelflächen 161-i. Die untere Grenzfläche 152 ist diejenige, auf die Licht L2p trifft, welches durch die obere Grenzfläche 151 hindurch transmittiert ist. Die untere Grenzfläche 152 weist Spiegelflächen 161'-1, 161'-2 und 161'-3 auf. Fig.10 shows schematically a part of an embodiment not claimed here with a curved folding mirror 15. The folding mirror 15 is not curved from a macroscopic perspective, but the microstructures 16 are arranged such that the folding mirror 15 acts like a cylindrical mirror. The folding mirror 15 has two mutually parallel interfaces 151, 152. The upper interface 151 is the interface that the incident light L1 reaches first. The upper interface 151 has first mirror surfaces 161-i with i=1, 2, 3,..., of which the mirror surfaces 161-1, 161-2 and 161-3 are shown in the exemplary embodiment shown here. The upper interface 151 has second surfaces 162-i with i=1, 2, 3,..., of which the second Surfaces 162-1, 162-2, and 162-3 are shown. These are located in gaps 163 between the mirror surfaces 161-i. The lower interface 152 is the one impinged upon by light L2p transmitted through the upper interface 151. The lower interface 152 has mirror surfaces 161'-1, 161'-2, and 161'-3.

Die erste Spiegelfläche 161-1 der gezeigten ersten Spiegelflächen 161-i weist einen ersten Winkel δ1 zur Ausbreitungsrichtung ABR1 auf, die erste Spielfläche 161-2 weist einen ersten Winkel δ2 zur Ausbreitungsrichtung ABR1 auf, und die erste Spielfläche 161-3 weist einen ersten Winkel δ3 zur Ausbreitungsrichtung ABR1 auf. Dabei unterscheiden sich die ersten Winkel δ1, δ2 und δ3 geringfügig voneinander. Somit weist jede der ersten Spiegelflächen 161-i einen anderen ersten Winkel δi auf. Die erste Spiegelfläche 161'-1 der unteren Grenzfläche 152 weist einen zweiten Winkel φ1 zur Ausbreitungsrichtung ABR1 auf. Die erste Spiegelfläche 161'-2 weist einen zweiten Winkel φ2 zur Ausbreitungsrichtung ABR1 auf. Die erste Spiegelfläche 161'-3 weist einen zweiten Winkel φ3 zur Ausbreitungsrichtung ABR1 auf. Somit weist jede der ersten Spiegelflächen 161'-i der unteren Grenzfläche 152 einen anderen zweiten Winkel φi auf als die jeweils anderen ersten Spiegelflächen 161'-i. Die ersten Winkel δi und die zweiten Winkel φi nehmen im gezeigten Ausführungsbeispiel von links nach rechts ab. Es gilt:
δ1<φ1<δ2< φ2<δ3<φ3. Somit liegt der Wert jedes zweiten Winkels φi zwischen den Werten der ersten Winkel δi zweier benachbarter ersten Spiegelflächen 161-i. Die Lichtstrahlen Lxs, die den Faltspiegel 15 nach oben verlassen sind somit gleichmäßig aufgefächert. Die zweiten Flächen 162-i,162-i' sind parallel zur Ausbreitungsrichtung ABR1 des von der Lichtquelle 12 kommenden Lichts L1 angeordnet.
The first mirror surface 161-1 of the first mirror surfaces 161-i shown has a first angle δ1 to the propagation direction ABR1, the first playing surface 161-2 has a first angle δ2 to the propagation direction ABR1, and the first playing surface 161-3 has a first angle δ3 to the propagation direction ABR1. The first angles δ1, δ2, and δ3 differ slightly from one another. Thus, each of the first mirror surfaces 161-i has a different first angle δi. The first mirror surface 161'-1 of the lower boundary surface 152 has a second angle φ1 to the propagation direction ABR1. The first mirror surface 161'-2 has a second angle φ2 to the propagation direction ABR1. The first mirror surface 161'-3 has a second angle φ3 to the propagation direction ABR1. Thus, each of the first mirror surfaces 161'-i of the lower boundary surface 152 has a different second angle φi than the other first mirror surfaces 161'-i. The first angles δi and the second angles φi decrease from left to right in the illustrated embodiment. The following applies:
δ1<φ1<δ2<φ2<δ3<φ3. Thus, the value of every second angle φi lies between the values of the first angles δi of two adjacent first mirror surfaces 161-i. The light rays Lxs exiting the folding mirror 15 upwards are thus spread out evenly. The second surfaces 162-i, 162-i' are arranged parallel to the propagation direction ABR1 of the light L1 coming from the light source 12.

Die Spiegelflächen 161-i der oberen Grenzfläche 151 sind als spiegelnder Polarisator 17 ausgebildet. Die zweiten Flächen 162-i der ersten Grenzfläche 151 sind als die Polarisationsrichtung um 90° drehender Retarder 18 ausgebildet. Die ersten Spiegelflächen 161'-i der unteren Grenzschicht 152 sind als die Polarisation nicht beeinflussende Spiegel ausgebildet.The mirror surfaces 161-i of the upper boundary surface 151 are designed as a reflective polarizer 17. The second surfaces 162-i of the first boundary surface 151 are designed as a retarder 18 that rotates the polarization direction by 90°. The first mirror surfaces 161'-i of the lower boundary layer 152 are designed as mirrors that do not influence the polarization.

Von links fällt von der Lichtquelle 12 erzeugtes und vom Kollimator 13 kollimiertes unpolarisiertes Licht L1 in Ausbreitungsrichtung ABR1 auf den Faltspiegel 15. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur einige Lichtstrahlen beispielhaft eingezeichnet. Dieses unpolarisierte Licht L1, L5 wird von den Spiegelflächen 161-i als s-polarisiertes Licht L2s, L6s reflektiert und als p-polarisiertes Licht L2p, L6p transmittiert. Das s-polarisierte Licht L2s, L6s gelangt nach oben Richtung Anzeigeelement 11. Das p-polarisierte Licht L2p, L6p wird von den ersten Spiegelflächen 161'-1, 161'-2 der zweiten Grenzfläche 152 reflektiert und gelangt als p-polarisiertes Licht L3p, L7p von innen zu den zweiten Flächen 162-i der ersten Grenzfläche 151. Da diese als die Polarisation um 90° drehende Retarder 18 ausgebildet sind, transmittieren sie das auf sie auftreffende Licht, welches sie als s-polarisiertes Licht L4s, L8s in der Abbildung nach oben im Bereich der Lücken 163 verlässt. Somit gelangt weiteres s-polarisiertes Licht L4s, L8s Richtung Anzeigeelement 11. Man erkennt, daß das Richtung Anzeigeelement 11 verlaufende Licht Lxs aus aufgefächerten Lichtstrahlen besteht.From the left, unpolarized light L1, generated by light source 12 and collimated by collimator 13, falls onto folding mirror 15 in the propagation direction ABR1. For clarity, only a few light rays are shown here as examples. This unpolarized light L1, L5 is reflected by mirror surfaces 161-i as s-polarized light L2s, L6s and transmitted as p-polarized light L2p, L6p. The s-polarized light L2s, L6s travels upwards towards the display element 11. The p-polarized light L2p, L6p is reflected by the first mirror surfaces 161'-1, 161'-2 of the second interface 152 and travels as p-polarized light L3p, L7p from the inside to the second surfaces 162-i of the first interface 151. Since these are designed as retarders 18 that rotate the polarization by 90°, they transmit the light incident on them, which leaves them as s-polarized light L4s, L8s upwards in the region of the gaps 163 in the figure. Thus, further s-polarized light L4s, L8s travels towards the display element 11. It can be seen that the light Lxs traveling towards the display element 11 consists of fanned-out light rays.

Fig.11 zeigt schematisch einen Teil einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit gekrümmtem Faltspiegel 15. Auch hier ist der Faltspiegel 15 makroskopisch gesehen nicht gekrümmt, sondern die Mikrostrukturen 16 sind so angeordnet, daß der Faltspiegel 15 wie ein Zylinderspiegel wirkt. Die obere Grenzfläche 151 des Faltspiegels 15 weist Mikrostrukturen 16 auf, und seine untere Grenzfläche 152 weist keine besonderen, in Zusammenhang mit der Erfindung wesentlichen optischen oder geometrischen Eigenschaften auf. Die Mikrostrukturen 16 weisen erste Spiegelflächen 161-i auf, von denen die Spiegelflächen 161-1 bis 161-5 gezeigt sind. Jede der ersten Spiegelflächen 161-i weist einen ersten Winkel δi zur Ausbreitungsrichtung ABR1 des einfallenden Lichts auf, der sich von den anderen ersten Winkeln δi unterscheidet. Zwischen den ersten Spiegelflächen 161-i befinden sich Lücken 163, in denen zweite Flächen 162 angeordnet sind, die ebenfalls als spiegelnde Flächen ausgelegt sind. Als zweiten Flächen 162 sind anstatt jeweils einer einzigen Fläche zwei spiegelnde zweite Flächen 1621,1622 vorgesehen, die in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Sie wirken daher als Retroreflektor. Oberhalb des Faltspiegels 15 sind ein Retarder 18 und ein Polarisator 17 angeordnet. Der Retarder 18 hat im vorliegenden Fig.11 schematically shows part of an embodiment according to the invention with a curved folding mirror 15. Here, too, the folding mirror 15 is not macroscopically curved, but the microstructures 16 are arranged such that the folding mirror 15 acts like a cylindrical mirror. The upper boundary surface 151 of the folding mirror 15 has microstructures 16, and its lower boundary surface 152 has no special optical or geometric properties essential in connection with the invention. The microstructures 16 have first mirror surfaces 161-i, of which the mirror surfaces 161-1 to 161-5 are shown. Each of the first mirror surfaces 161-i has a first angle δi to the propagation direction ABR1 of the incident light, which differs from the other first angles δi. Between the first mirror surfaces 161-i are gaps 163, in which second surfaces 162 are arranged, which are also designed as reflective surfaces. Instead of a single surface, two reflecting second surfaces 1621, 1622 are provided as second surfaces 162, which are arranged at right angles to each other. They therefore act as a retroreflector. A retarder 18 and a polarizer 17 are arranged above the folding mirror 15. In the present case, the retarder 18 has

Ausführungsbeispiel die Eigenschaft einer Viertelwellenlängenplatte, das heißt, er wandelt linear polarisiertes Eingangslicht in zirkular polarisiertes Ausgangslicht um, und umgekehrt. Der Polarisator 17 ist ein reflektierender Polarisator, der linearpolarisiertes Licht einer erste Polarisationsrichtung passieren lässt, und senkrecht dazu polarisiertes Licht reflektiert. Anstatt einer einzigen Fläche weist der Polarisator eine Vielzahl von paarweise angeordneten Polarisatorflächen 1701,1702 auf, die in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Sie wirken daher als Retroreflektor.In this embodiment, the polarizer 17 has the properties of a quarter-wave plate, meaning it converts linearly polarized input light into circularly polarized output light, and vice versa. Polarizer 17 is a reflective polarizer that allows linearly polarized light of a first polarization direction to pass through and reflects light polarized perpendicular to it. Instead of a single surface, the polarizer has a plurality of paired polarizer surfaces 1701, 1702, which are arranged at right angles to each other. They therefore act as a retroreflector.

Von links fällt von der Lichtquelle 12 erzeugtes und vom Kollimator 13 kollimiertes unpolarisiertes Licht L1 in Ausbreitungsrichtung ABR1 auf den Faltspiegel 15. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur einige Lichtstrahlen beispielhaft eingezeichnet. Dieses unpolarisierte Licht L1 wird von den Spiegelflächen 161-3 reflektiert. Es gelangt nach oben als unpolarisiertes Licht L2 zum Retarder 18, passiert diesen und verlässt diesen als unpolarisiertes Licht L3. Es trifft auf den als Retroreflektor ausgebildeten reflektierenden Polarisator 17, der s-polarisiertes Licht L4s passieren lässt (transmittiert) und p-polarisiertes Licht L4p zurückwirft (reflektiert). Das p-polarisierte Licht L4p passiert den Retarder 18 und verlässt diesen als zirkular polarisiertes Licht L5z. Dieses trifft auf eine der ebenfalls als Retroreflektor ausgebildeten spiegelnden zweiten Flächen 162 und wird von diesen als zirkular polarisiertes Licht L6z wieder zum Retarder 18 reflektiert. Es passiert diesen und verlässt diesen als s-polarisiertes Licht L7s. Dieses passiert den reflektierenden Polarisator 17 da es nun die Polarisationsrichtung aufweist, die er nicht reflektiert, sondern transmittiert. Somit gelangt weiteres s-polarisiertes Licht L8s Richtung Anzeigeelement 11.From the left, unpolarized light L1, generated by light source 12 and collimated by collimator 13, falls onto folding mirror 15 in propagation direction ABR1. For the sake of clarity, only a few light rays are shown here as examples. This unpolarized light L1 is reflected by mirror surfaces 161-3. It travels upwards as unpolarized light L2 to retarder 18, passes through it, and exits it as unpolarized light L3. It strikes reflective polarizer 17, designed as a retroreflector, which transmits s-polarized light L4s and reflects p-polarized light L4p. The p-polarized light L4p passes through retarder 18 and exits it as circularly polarized light L5z. This light strikes one of the reflective second surfaces 162, also designed as a retroreflector, and is reflected back to the retarder 18 as circularly polarized light L6z. It passes through the retarder and exits as s-polarized light L7s. This light passes through the reflective polarizer 17 because it now has the polarization direction that it transmits rather than reflects. Thus, further s-polarized light L8s reaches the display element 11.

Gemäß einer hier nicht näher ausgeführten weiteren Variante ist ein transparenter Körper 19 wie zu Fig.6 beschrieben vorgesehen, der mit entsprechenden Mikrostrukturen versehen ist. Die Funktion von reflektierendem Polarisator 17 und von Retarder18 ist dort in einem zirkularem Polarisator 172 realisiert, der mittels erster und zweiter Polarisatorflächen 1701 und 1702 als Retroreflektor ausgebildet ist.According to a further variant not described in detail here, a transparent body 19 as shown in Fig.6 described, which is provided with corresponding microstructures. The function of the reflective polarizer 17 and the retarder 18 is realized there in a circular polarizer 172, which is designed as a retroreflector by means of first and second polarizer surfaces 1701 and 1702.

Mit anderen Worten betrifft die Erfindung ein Head-Up-Display mit effizienzgesteigerter, kosten- und bauraumsparender bildgebenden Einheit 1, die einen Faltspiegel 15 aufweist, bei dem makroskopisch Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind. Eine solche Einheit wird englisch auch als "blazed-mirror-PGU" (PGU: Picture Generating Unit - bildgebende Einheit) bezeichnet. Die Erfindung betrifft das Gebiet Head-Up-Displays (HUD), und andere Displaysysteme, die gerichtetes Licht einer bestimmten Polarisation nutzen, beispielsweise basierend auf Flüssigkristallanzeigeelementen. Die meisten aktuellen LED-basierte TFT-HUDs (TFT: Thin Film Transistor, Dünnfilmtransistor - eine Variante von Flüssigkristallanzeigen) haben einen fast vollständigen Lichtleistungsverlust für eine Polarisationskomponente des Beleuchtungslichts. Typischerweise wird dieser Lichtleistungsverlust in einem externen Polarisationsfilter realisiert, um die Erwärmung des Anzeigeelements 11 zu verringen. Es gibt erste Systeme auf dem Markt und in der Literatur, die Teile des "falsch" polarisierten Lichts wiederverwenden. Diese effizienzgesteigerten Systeme erfordern zusätzliche Komponenten und damit zusätzlichen Bauraum und Kosten. Die konventionellen Systeme benötigen mehr Energie, auf die zunehmend geachtet wird (z.B. Reichweite Elektromobilität). Die thermische Last wird insbesondere mit wachsenden Bildgrößen zunehmend kritischer für die Systeme/Komponenten. Erwünscht sind einzeln oder in Kombination: Effizienzsteigerung, Bauraumreduktion oder Vergrößerung des virtuellen Bildes bei gleichbleibendem Bauraum, Kostenreduktion, Homogenisierung der Ausleuchtung. Zumindest eines davon wird erfindungsgemäß erreicht.In other words, the invention relates to a head-up display with an efficient, cost- and space-saving imaging unit 1, which has a folding mirror 15 in which the angle of incidence and the angle of reflection are macroscopically unequal. Such a unit is also referred to as a "blazed-mirror PGU" (PGU: Picture Generating Unit). The invention relates to the field of head-up displays (HUDs) and other display systems that use directed light of a specific polarization, for example, based on liquid crystal display elements. Most current LED-based TFT HUDs (TFT: Thin Film Transistor, a variant of liquid crystal displays) have an almost complete loss of light output for one polarization component of the illumination light. This light output loss is typically implemented in an external polarization filter to reduce the heating of the display element 11. The first systems on the market and in the literature that reuse portions of the "incorrectly" polarized light are already available. These more efficient systems require additional components and thus additional installation space and costs. Conventional systems require more energy, which is becoming increasingly important (e.g., electric mobility range). The thermal load becomes increasingly critical for the systems/components, especially with increasing image sizes. Desired, individually or in combination, are increased efficiency, reduced installation space or enlargement of the virtual image while maintaining the same installation space, cost reduction, and homogenization of the illumination. At least one of these is achieved by the invention.

Bei Anwendung eines Faltspiegel, bei dem Einfallswinkel und Ausfallswinkel ungleich sind (blazed mirror) entstehen aus Sicht des Anzeigeelements 11 Streifen, von denen kein Licht ausgeht. Diese Bereiche, die Lücken 163, werden erfindungsgemäß dazu genutzt, um Licht der unerwünschten Polarisationskomponenten wiederzuverwenden, indem ihr Polarisationszustand verändert und wieder zum Anzeigeelement 11 geleitet und damit zu dessen Hinterleuchtung nutzbar gemacht wird. Das HUD ist dadurch günstiger, hat einen geringeren Energie-, Bauraum- und/oder Kühlungsbedarf und eine homogenere Ausleuchtung. Die Erfindung ist auch allgemeiner anwendbar auf andere effizienzsensible hinterleuchtete Anzeigeelemente mit schmalerem Blickwinkel. Auch auf Projektionssysteme, beispielsweise beruhend auf DMD-Technologie (DMD: Digital Micromirror Device - Lichtablenkung des Geräts beruht auf einem oder mehreren digital angesteuerten Mikrospiegeln), oder auf LCoS-Technologie (LCoS: Liquid Crystal on Silicon - Lichtmodulation beruht auf Flüssigkristallen, die auf einem Siliziumträger angebracht sind), ist die Erfindung anwendbar. Es handelt sich dann um eine Anzeigeeinheit mit einer bildgebenden Einheit 1 zum Erzeugen eines Bildes, wobei die bildgebende Einheit einen Faltspiegel aufweist, der Faltspiegel zwischen einer Lichtquelle und einem von dieser durchleuchteten Anzeigeelement in einem Anstellwinkel zur Ausbreitungsrichtung des von der Lichtquelle auf ihn einfallenden Lichts angeordnet ist, der Faltspiegel Mikrostrukturen aufweist, wobei die Mikrostrukturen erste Spiegelflächen aufweisen, die in einem vom Anstellwinkel des Faltspiegels abweichenden ersten Winkel angeordnet sind, und Lücken bildend voneinander beabstandet sind, wobei in den Lücken zweite Flächen in einem zweiten Winkel angeordnet sind, ein Polarisator Licht einer ersten Polarisation zum Anzeigeelement leitet, und Licht einer zweiten Polarisation in die Lücken leitet, ein Retarder die Polarisation des in die Lücken geleiteten Lichts in die erste Polarisation umwandelt, und das in die Lücken geleitete Licht nach Passieren der Lücken Richtung Anzeigeelement geleitet wird. Das Licht unerwünschter Polarisation wird gemäß einer Variante der Erfindung von einem reflektiven zirkularen Polarisator 172 unter dem Display zum Faltspiegel 15 zurückgeworfen, wo es in den bisherigen Totzonen, den Lücken 163, reflektiert, dann vom zirkularen Polarisator 172 in die Nutzrichtung gewandelt und somit wiederverwendet wird.When using a folding mirror with unequal angles of incidence and reflection (blazed mirror), stripes are created from the perspective of the display element 11, from which no light emanates. These areas, the gaps 163, are used according to the invention to reuse light from the unwanted polarization components by changing their polarization state and redirecting it to the display element 11, thus making it usable for its backlighting. The HUD is therefore cheaper, has lower energy, space, and/or cooling requirements, and offers more homogeneous illumination. The invention is also more generally applicable to other Efficiency-sensitive backlit display elements with a narrower viewing angle. The invention is also applicable to projection systems, for example, based on DMD technology (DMD: Digital Micromirror Device - the device's light deflection is based on one or more digitally controlled micromirrors) or LCoS technology (LCoS: Liquid Crystal on Silicon - light modulation is based on liquid crystals mounted on a silicon substrate). This is then a display unit with an imaging unit 1 for generating an image, wherein the imaging unit has a folding mirror, the folding mirror is arranged between a light source and a display element illuminated by the light source at an angle of incidence to the propagation direction of the light incident on it from the light source, the folding mirror has microstructures, wherein the microstructures have first mirror surfaces which are arranged at a first angle different from the angle of incidence of the folding mirror and are spaced from one another to form gaps, wherein second surfaces are arranged at a second angle in the gaps, a polarizer guides light of a first polarization to the display element and guides light of a second polarization into the gaps, a retarder converts the polarization of the light guided into the gaps into the first polarization, and the light guided into the gaps is guided towards the display element after passing through the gaps. According to a variant of the invention, the light of undesired polarization is reflected by a reflective circular polarizer 172 under the display to the folding mirror 15, where it is reflected in the previous dead zones, the gaps 163, then converted into the useful direction by the circular polarizer 172 and thus reused.

Gemäß einer Variante erfolgt eine Optimierung des Winkels, in dem der Faltspiegel, der auch als Blazed Mirror bezeichnet wird, angeordnet ist, auf eine Verkippung des Anzeigeelements. Eine Vorteilhafte Ausführung besteht darin, den Blazed Mirror möglichst parallel zum Anzeigeelement auszurichten. Dann werden dessen Strukturen am gleichmäßigsten verwischt. Bei aktuell im Einsatz befindlichen bildgenerierenden Einheiten mit LED-Arrays gibt es zum Teil deutliche relative Unterschiede im Abstand der LEDs zu einem unter dem Anzeigeelement angeordneten Streuelement, weil das Anzeigeelement verkippt ist. Das führt zu unterschiedlich starker Sichtbarkeit des LED-Arrays. Dieser unerwünschte Effekt wird mit dem Ansatz, Faltspiegel und Anzeigeelement parallel auszurichten, stark reduziert. Gleicher Abstand des Anzeigeelements zum Faltspiegel bedeutet geringere relative Wegunterschiede.According to one variant, the angle at which the folding mirror, also known as a blazed mirror, is arranged is optimized for a tilt of the display element. One advantageous embodiment consists in aligning the blazed mirror as parallel as possible to the display element. This results in the most even blurring of its structures. In image-generating units with LED arrays currently in use, there are sometimes significant relative differences in the distance between the LEDs and a scattering element arranged below the display element because the display element is tilted. This leads to Varying visibility of the LED array. This undesirable effect is greatly reduced by aligning the folding mirror and display element in parallel. Equal distance between the display element and the folding mirror means smaller relative path differences.

Eine Astigmatismus-Funktion, also eine Auffächerung des zum Anzeigeelement 11 gelangenden Lichts wird gemäß von Varianten der Erfindung wie folgt erreicht. Die Winkel δi der Flächen 161-i, die das von links einfallende Licht reflektieren, ändern ihren Winkelwert allmählich. Es liegt also kein Faltspiegel 15 im engeren Sinn mehr vor, sondern der so ausgebildete Faltspiegel 15 ist in einer Richtung gekrümmt. Also liegt ein sogenannter geblazter Zylinderspiegel vor. Dieser darf aber ruhig facettiert sein, also mit ebenen Spiegelflächen 161-i ausgestattet sein, wie zum Beispiel in Fig.11 gezeigt. Dort hat man es nach Reflexion am Faltspiegel 15 mit Licht zu tun, welches nicht mehr senkrecht auf den reflektierenden Polarisator 17 auftrifft. Das reflektierte Lichtbündel würde also auseinanderlaufen. Daher ist im Ausführungsbeispiel der Fig.11 vorgesehen, beide reflektierende Strukturen als Retroreflektor auszulegen, sodass das recycelte Licht auch die gewünschte Abstrahlrichtung zum jeweiligen Ort hat.An astigmatism function, i.e., a fanning out of the light reaching the display element 11, is achieved according to variants of the invention as follows. The angles δi of the surfaces 161-i, which reflect the light incident from the left, gradually change their angular value. Thus, there is no longer a folding mirror 15 in the narrower sense, but the folding mirror 15 thus formed is curved in one direction. This is a so-called blazed cylindrical mirror. However, this may be faceted, i.e., equipped with flat mirror surfaces 161-i, as in, for example, Fig.11 There, after reflection at the folding mirror 15, the light is no longer incident perpendicularly on the reflecting polarizer 17. The reflected light beam would therefore diverge. Therefore, in the exemplary embodiment, the Fig.11 It is planned to design both reflective structures as retroreflectors so that the recycled light also has the desired radiation direction to the respective location.

Claims (3)

  1. Head-up display for a means of transportation, comprising:
    - a picture generating unit (1) for generating an image;
    - an optical unit (2) for projecting the image by means of a mirror unit (3),
    wherein
    - the picture generating unit (1) has a folding mirror (15),
    - the folding mirror (15) is arranged between a light source (12) and a display element (11), through which the light source radiates light, at a work angle (β) to the propagation direction (ABR1) of the light (L1) that is incident on the folding mirror from the light source (11),
    - the folding mirror (15) has microstructures (16),
    -- wherein the microstructures (16) have first mirror surfaces (161,161-i,161',161'-i) that are arranged at a first angle, which deviates from the work angle (β) of the folding mirror (15), and are spaced apart from one another to form gaps (163),
    -- wherein second surfaces (162,162-i,162',162'-i) are arranged in the gaps (163) at a second angle,
    - the picture generating unit (1) has a polarizer (17, 172) and a retarder (18),
    characterized in that
    the polarizer (17, 172) is configured to guide light having a first polarization to the display element (11) and to guide light having a second polarization into the gaps (163),
    - the retarder (18) is configured to convert the polarization of the light (L2p, L4p) guided into the gaps (163) to the first polarization, and
    - the second surfaces (162) are configured to reflect the light guided into the gaps (163) in the direction of the display element (11), wherein
    - the polarizer (17) is designed as a reflective polarizer (17) and is arranged between the folding mirror (15) and the display element (11), and
    - the retarder (18) is designed as a retarder (18) converting linear to circular polarization and is arranged between the folding mirror (15) and the polarizer (17), wherein the reflecting second surfaces (1621,1622) each form in pairs a retroreflector, wherein
    - the first mirror surfaces (161-i) have first angles (δi) that differ from one another, and
    - the reflective polarizer (17) has first polarizer surfaces (1701) and second polarizer surfaces (1702), which each form in pairs a retroreflector.
  2. Head-up display according to Claim 1, wherein the folding mirror (15) is part of a transparent body (19) with a wedge-shaped cross section, in which the wedge base area (191) is the light entry surface facing the light source (12), the microstructures (16) are arranged on one of the large side faces (192), and the other large side face (193) is the light exit surface facing the display element (11).
  3. Head-up display according to either of the preceding claims, wherein the folding mirror (15) and the display element (11) are aligned parallel to each other.
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